多线程（初阶七：阻塞队列和生产者消费者模型）

一、阻塞队列的简单介绍

首先，我们都知道，队列是先进先出的一种数据结构，而阻塞队列，是基于队列，做了一些扩展，在多线程有就非常有意义了

阻塞队列的特性：

（1）是线程安全的

（2）具有阻塞的特性

            ①当队列满了，这时不能往队列里放数据，就会阻塞等待，等队列的数据出队列后，这时队列没满，才能放数据。

            ②当队列空了，这时不能拿队列里的数据，就会阻塞等待，等有数据如队列了，这时队列不为空，才能拿数据。

这里，阻塞队列的用处非常大，基于阻塞队列的功能，就可以实现 “生产者消费者模型”。

二、生产者消费者模型

生产者消费者模型是一种很朴素的概念，描述的是一种多线程编程的方法。

1、举个栗子：

一家人包饺子，首先得和面，和完面就要开始擀饺子皮了，然后才开始包饺子，这里，因为一般家里也只有一个擀面杖，所以只能一个人擀饺子皮，其余的家人就会帮忙包饺子，假设一个人擀饺子皮，2个人包饺子，那么擀饺子皮的人就是生产者，包饺子的人就是消费者；这也就是消费者生产者模型。

一个桌子能发饺子皮的数量是有限的，当擀饺子皮的人比较快，桌子放满饺子皮后，就要等包饺子的人，消耗一些饺子皮来包饺子，才能继续擀饺子皮；而这也类似阻塞队列中队里满的情况。当包饺子的人包的比较快，桌子上的饺子皮都没了，就要等擀饺子皮的人擀了饺子皮后才能继续包饺子；而这也类似阻塞队列空的情况。不同的人分工不同，也类似多线程，各自干各自的事情。

2、引入生产者消费者模型的意义：

（1）解耦合

引入生产者消费者模型，就能更好的做到解耦合（把代码的耦合程度，从高降低，就称为解耦合）

在实际开发中，会涉及到 “分布式系统” ，服务器的整个功能不是又一个服务器完成实现的，而是由多个服务器，各自实现各自的一部分功能，再通过网络通信，把这些服务器联系起来，最终完成整个服务器的功能。粗糙流程如图：

而这时，入口服务器与A、B服务器的联系是密切相关的，请求要经过入口服务器，才能传达给A、B服务器，再A、B服务器拿到想要的数据，再返回给入口服务器，通过入口服务器，再把响应传给客户端。如果是这样，那如果请求突然骤升，这时超过入口服务器接收请求的峰值，这时入口服务器就挂了，入口服务器挂了后，A、B服务器拿不到请求，也会挂掉，这就体现了入口服务器和A、B服务器的耦合性比较高。

当我们在入口服务器和A、B服务器之间引入阻塞队列时，如图：

这时，如果入口服务器挂了，但是阻塞队列中还有请求的数据，至少不会因入口服务器挂了，A、B服务器也挂了，这样，入口服务器和A、B服务器的耦合性也就降低了。

（2）削峰填谷

如图，当客户端这边的请求突然骤增时，入口服务器都是比较能抗压的，但是也是有极限的，这时我们引入阻塞队列，就可以把这些请求数据都放进阻塞队列中，形成一个缓冲区，这样，即使外面的请求达到了峰值，也是由阻塞队列来承担，这样就形成了削峰填谷的效果。

注意：这时的阻塞队列，是基于阻塞队列这一数据结构，而实现的服务器程序，所以也叫消息队列

三、模拟实现阻塞队列

1、阻塞队列的简单介绍

在java标准库中，提供了现成的阻塞队列这一数据结构，如图：

是基于队列扩展而来的，队列有的，它也有；我们知道，入队列时可以用offer方法，出队列时可以用poll方法，在阻塞队列中，也有这两个方法，但是这两个方法是不带阻塞功能的；其中，在阻塞队列中，put是在阻塞功能的入队列，take方法是带阻塞功能的出队列。

代码案例：

public class TestDemo1 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        BlockingQueue<String> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(10);
        blockingQueue.put("aaa");
        String s1 = blockingQueue.take();
        System.out.println("第一个打印：s1 = " + s1);
        s1 = blockingQueue.take();
        System.out.println("第二个打印：s1 = " + s1);
    }
}

执行结果：

线程卡住不动了，原因是想要第二次出队列时，队列是空的，所以要等队列有元素入队列时，才能出队列，也就是说，这是带有阻塞功能的。

2、实现阻塞队列

阻塞队列是通过循环队列实现的，而队列是依靠数组来实现的，这里的阻塞队列，我们只模拟实现其中的put和take方法。

（1）实现普通队列

代码：

// 为了简单, 不写作泛型的形式. 考虑存储的元素就是单纯的 String
class MyBlockingQueue {
    private String elems[] = null;
    private int head = 0;//记录头结点
    private  int tail = 0;//记录尾结点
    private int size = 0;//队列元素个数
    //构造方法，定义队列的容量大小
    public MyBlockingQueue(int capacity) {
        this.elems = new String[capacity];
    }
    //入队列
    public void put(String elem) {
        //判断容量满了没，满了就不能入队列，要阻塞等待
        if(size >= this.elems.length) {
            //阻塞等待，先不写，先实现普通功能的队列
            return;
        }
        //入队列
        elems[tail] = elem;
        tail++;
        //因为是循环队列，所以要判断尾巴有没有超过容量大小下标，超过了就要从0开始了
        if(tail > elems.length) {
            tail = 0;
        }
        //队列元素要++
        size++;
    }
    
    //出队列
    public String take() {
        String elem = null;
        //要判断队列是不是空的，空就不能出队列了，要阻塞等待
        if(size == 0) {
            //阻塞等待，因为是先实现普通队列的功能，所以后面再补充
            return null;
        }
        elem = elems[head];
        head++;
        //因为是循环队列，所以要判断头结点有没有超过容量大小下标，超过了就要0开始了
        if(head >= elems.length) {
            head = 0;
        }
        //出队列后，队列元素要--
        size--;
        return elem;
    }
}

每个步骤说明代码中有注释。

测试一下可不可以用，如图：

是可以用的，这样，普通的队列就已经搞好了

（2）加上线程安全

我们想想put和take里面要给哪里上锁，首先，写操作肯定是要加锁的，因为多线程同时执行写操作，肯定是线程不安全的，也就是下面这段代码：

接下来，我们讨论一下这两个代码要不要加锁，以take为例，如图：

我们画一下图，会比较好理解：

如果size = -1，是不符合我们预期的，size最小也只可能是0，不可能是-1，所以我要上面的判断条件也要加锁。

而put也一样，判断条件也要加锁。

代码：

class MyBlockingQueue {
    Object locker = new Object();
    private String elems[] = null;
    private int head = 0;//记录头结点
    private  int tail = 0;//记录尾结点
    private int size = 0;//队列元素个数
    //构造方法，定义队列的容量大小
    public MyBlockingQueue(int capacity) {
        this.elems = new String[capacity];
    }
    //入队列
    public void put(String elem) {
        synchronized (locker) {
            //判断容量满了没，满了就不能入队列，要阻塞等待
            if(size >= this.elems.length) {
                //阻塞等待，先不写，先实现普通功能的队列
                return;
            }
            //因为这些都是写操作，也有读操作，多线程并发执行时，写操作是线程不安全的，要把这些打包成一个原子，加锁
            synchronized (locker) {
                //入队列
                elems[tail] = elem;
                tail++;
                //因为是循环队列，所以要判断尾巴有没有超过容量大小下标，超过了就要从0开始了
                if(tail > elems.length) {
                    tail = 0;
                }
                //队列元素要++
                size++;
            }
        }
    }

    //出队列
    public String take() {
        String elem = null;
        //因为这些都是写操作，也有读操作，多线程并发执行时，写操作是线程不安全的，要把这些打包成一个原子，加锁
        synchronized (locker) {
            //要判断队列是不是空的，空就不能出队列了，要阻塞等待
            if(size == 0) {
                //阻塞等待，因为是先实现普通队列的功能，所以后面再补充
                return null;
            }
            elem = elems[head];
            head++;
            //因为是循环队列，所以要判断头结点有没有超过容量大小下标，超过了就要0开始了
            if(head >= elems.length) {
                head = 0;
            }
            //出队列后，队列元素要--
            size--;
            return elem;
        }
    }
}

（3）加上阻塞功能

我们要加上阻塞功能，就要在这两条件判断上加上wait，我们用locker的对象给他wait，而且wait必须要在synchronized内使用，这里的locker正好能对应上；当这个队列满时，就阻塞等待，等take方法拿走一个数据时，才给他唤醒。

加上阻塞功能后的代码如下：（不是最终代码，里面还是存在线程安全问题）

class MyBlockingQueue {
    Object locker = new Object();
    private String elems[] = null;
    private int head = 0;//记录头结点
    private  int tail = 0;//记录尾结点
    private int size = 0;//队列元素个数
    //构造方法，定义队列的容量大小
    public MyBlockingQueue(int capacity) {
        this.elems = new String[capacity];
    }
    //入队列
    public void put(String elem) throws InterruptedException {
        synchronized (locker) {
            //判断容量满了没，满了就不能入队列，要阻塞等待
            if (size >= this.elems.length) {
                //阻塞等待，先不写，先实现普通功能的队列
                synchronized (locker) {
                    locker.wait();
                }
            }
            //因为这些都是写操作，也有读操作，多线程并发执行时，写操作是线程不安全的，要把这些打包成一个原子，加锁
            synchronized (locker) {
                //入队列
                elems[tail] = elem;
                tail++;
                //因为是循环队列，所以要判断尾巴有没有超过容量大小下标，超过了就要从0开始了
                if(tail > elems.length) {
                    tail = 0;
                }
                //队列元素要++
                size++;
                locker.notify();
            }
        }
    }

    //出队列
    public String take() throws InterruptedException {
        String elem = null;
        //因为这些都是写操作，也有读操作，多线程并发执行时，写操作是线程不安全的，要把这些打包成一个原子，加锁
        synchronized (locker) {
            //要判断队列是不是空的，空就不能出队列了，要阻塞等待
            if (size == 0) {
                //阻塞等待，因为是先实现普通队列的功能，所以后面再补充
                synchronized (locker) {
                    locker.wait();
                }
            }
            elem = elems[head];
            head++;
            //因为是循环队列，所以要判断头结点有没有超过容量大小下标，超过了就要0开始了
            if(head >= elems.length) {
                head = 0;
            }
            //出队列后，队列元素要--
            size--;
            locker.notify();
            return elem;
        }
    }
}

加上阻塞功能的判断语句

与其对应的，一定要记住put和take后要notify，不然就会一直阻塞下去，导致程序动不了，如图：

现在进行代码分析：

当put时，队列满了，就要阻塞等待，等take这队列后，就会唤醒put操作，接着put就能入队列了；如果是take就相反，这是符合我们预期的。如果不满也不空时，每次put和take都会notify一次，这时会有影响吗？答案肯定是否定的，不会有影响，因为就算没有其他线程在等待，唤醒也没有事，不会对程序造成啥影响。而且我们现在的代码，一定是要么满，要么空，要么不满也不空。

但是，如果有两个线程同时put，现在队列是满的，A线程先阻塞，B线程也阻塞，这时有第三个线程take一次，把A线程的wait唤醒了，等A执行到下面的notify，A线程里put的notify就会唤醒B线程里的wait，但是因为A线程put了，和第三个线程的take一取一放抵消了，此时队列还是满的，因为A线程里的put把B线程里的wait唤醒了，这时已经是满了的队列还往里放元素，就造成了线程安全问题。

解决方案：把条件判断if换成while循环语句，不是只判断一次，当有其他线程把wait唤醒后，还要再判断一次这个队列是不是满的或者是空的，如果不是满的或者不是空的，才释放这个wait，不然就要继续wait，这样问题也就解决了。

最终代码：

class MyBlockingQueue {
    Object locker = new Object();
    private String elems[] = null;
    private int head = 0;//记录头结点
    private  int tail = 0;//记录尾结点
    private int size = 0;//队列元素个数
    //构造方法，定义队列的容量大小
    public MyBlockingQueue(int capacity) {
        this.elems = new String[capacity];
    }
    //入队列
    public void put(String elem) throws InterruptedException {
        synchronized (locker) {
            //判断容量满了没，满了就不能入队列，要阻塞等待
            while (size >= this.elems.length) {
                //阻塞等待，先不写，先实现普通功能的队列
                synchronized (locker) {
                    locker.wait();
                }
            }
            //因为这些都是写操作，也有读操作，多线程并发执行时，写操作是线程不安全的，要把这些打包成一个原子，加锁
            synchronized (locker) {
                //入队列
                elems[tail] = elem;
                tail++;
                //因为是循环队列，所以要判断尾巴有没有超过容量大小下标，超过了就要从0开始了
                if(tail > elems.length) {
                    tail = 0;
                }
                //队列元素要++
                size++;
                locker.notify();
            }
        }
    }

    //出队列
    public String take() throws InterruptedException {
        String elem = null;
        //因为这些都是写操作，也有读操作，多线程并发执行时，写操作是线程不安全的，要把这些打包成一个原子，加锁
        synchronized (locker) {
            //要判断队列是不是空的，空就不能出队列了，要阻塞等待
            while (size == 0) {
                //阻塞等待，因为是先实现普通队列的功能，所以后面再补充
                synchronized (locker) {
                    locker.wait();
                }
            }
            elem = elems[head];
            head++;
            //因为是循环队列，所以要判断头结点有没有超过容量大小下标，超过了就要0开始了
            if(head >= elems.length) {
                head = 0;
            }
            //出队列后，队列元素要--
            size--;
            locker.notify();
            return elem;
        }
    }
}

我们看看wait内部，可以看到它内部也是会有说明wait可能会提前被唤醒，就要我们多加一次判断，这样，用while会比用if更好，如图：

在实际开发中，生产者消费者模型，往往是多个生产者，多个消费者；这里的生产者和消费者往往不仅仅是一个线程，也可能是一个独立的服务器，甚至是一组服务器程序。

但生产者消费者模型，最核心的部分还是阻塞队列，可以使用synchronized和wait / notify 达到线程安全与阻塞。

都看到这了，点个赞再走吧，谢谢谢谢谢