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@Catyee 2017-06-14T00:53:28.000000Z 字数 8932 阅读 358

阻塞队列 DelayQueue

java 多线程 阻塞队列 DelayQUeue

阻塞队列

阻塞队列（BlockingQueue）是那些支持持阻塞的插入和移除的队列。
1）支持阻塞的插入方法：意思是当队列满时，队列会阻塞插入元素的线程，直到队列不满。
2）支持阻塞的移除方法：意思是在队列为空时，获取元素的线程会等待队列变为非空。

阻塞队列常用于生产者和消费者的场景，生产者是向队列里添加元素的线程，消费者是从队列里取元素的线程。阻塞队列就是生产者用来存放元素、消费者用来获取元素的容器。

方法/处理方式 抛出异常 返回特殊值 一直阻塞 超时退出
插入方法 add(e) offer(e) put(e) ofer(e,time,unit)
移除方法 remove() poll() take() poll(time,unit)
检查方法 element() peek() 不可用 不可用

·抛出异常：当队列满时，如果再往队列里插入元素，会抛出IllegalStateException（"Queuefull"）异常。当队列空时，从队列里获取元素会抛出NoSuchElementException异常。
·返回特殊值：当往队列插入元素时，会返回元素是否插入成功，成功返回true。如果是移除方法，则是从队列里取出一个元素，如果没有则返回null。
·一直阻塞：当阻塞队列满时，如果生产者线程往队列里put元素，队列会一直阻塞生产者线程，直到队列可用或者响应中断退出。当队列空时，如果消费者线程从队列里take元素，队列会阻塞住消费者线程，直到队列不为空。
·超时退出：当阻塞队列满时，如果生产者线程往队列里插入元素，队列会阻塞生产者线程一段时间，如果超过了指定的时间，生产者线程就会退出。

注意:如果是无界阻塞队列，队列不可能会出现满的情况，所以使用put或offer方法永远不会被阻塞，而且使用offer方法时，该方法永远返回true。

JDK 7中的阻塞队列：

DelayQUeue

DelayQueue是一个无界的BlockingQueue，用于放置实现了Delayed接口的对象，队列使用PriorityQueue来实现。队列中的元素必须实现Delayed接口，在创建元素时可以指定多久才能从队列中获取当前元素。只有在延迟期满时才能从队列中提取元素。这种队列是有序的，即队头对象的延迟到期时间最长。注意：不能将null元素放置到这种队列中。DelayQueue非常有用，可以将DelayQueue运用在以下应用场景：

Delayed一种混合风格的接口，用来标记那些应该在给定延迟时间之后执行的对象。此接口的实现必须定义一个 compareTo方法，该方法提供与此接口的getDelay方法一致的排序。

使用DelayQueue

一、实现Delayed接口：
DelayQueue队列的元素必须实现Delayed接口。我们可以参考ScheduledThreadPoolExecutor里ScheduledFutureTask类的实现,首先，在对象创建的时候，初始化基本数据。使用time记录当前对象延迟到什么时候可以使用，使用sequenceNumber来标识元素在队列中的先后顺序。代码如下：

  1. private static final AtomicLong sequencer = new AtomicLong(0);
  2. Scheduled FutureTask(Runnable r, V result, long ns, long period) {
  3. Scheduled FutureTask(Runnable r, V result, long ns, long period) {
  4.             super(r, result);
  5.             this.time = ns;
  6.             this.period = period;
  7.             this.sequence Number = sequencer.getAndIncrement();
  8. }

第二步：实现getDelay方法，该方法返回当前元素还需要延时多长时间，单位是纳秒，代码如下。

  1. public long getDelay(TimeUnit unit) {
  2.             return unit.convert(time - now(), Time Unit.NANOSECONDS);
  3.         }

通过构造函数可以看出延迟时间参数ns的单位是纳秒，自己设计的时候最好使用纳秒，因为实现getDelay()方法时可以指定任意单位，一旦以秒或分作为单位，而延时时间又精确不到纳秒就麻烦了。使用时请注意当time小于当前时间时，getDelay会返回负数。
第三步：实现compareTo方法来指定元素的顺序。例如，让延时时间最长的放在队列的末尾。实现代码如下:

  1. public int compareTo(Delayed other) {
  2.             if (other == this)// compare zero ONLY if same object
  3.                 return 0;
  4.             if (other instanceof Scheduled FutureTask) {
  5.                 Scheduled FutureTask<> x = (Scheduled FutureTask<>)other;
  6.                 long diff = time - x.time;
  7.                 if (diff < 0)
  8.                     return -1;
  9.                 else if (diff > 0)
  10.                     return 1;
  11.                 else if (sequence Number < x.sequence Number)
  12.                     return -1;
  13.                 else
  14.                     return 1;
  15.             }
  16.             long d = (getDelay(Time Unit.NANOSECONDS) -
  17.                         other.getDelay(Time Unit.NANOSECONDS));
  18.             return (d == 0)  0 : ((d < 0)  -1 : 1);
  19.         }

二、实现延时阻塞队列
延时阻塞队列的实现很简单，当消费者从队列里获取元素时，如果元素没有达到延时时间，就阻塞当前线程。

  1. long delay = first.getDelay(Time Unit.NANOSECONDS);
  2. if (delay <= 0)
  3.     return q.poll();
  4. else if (leader != null)
  5.         available.await();
  6. else {
  7.     Thread thisThread = Thread.currentThread();
  8.     leader = thisThread;
  9.         try {
  10.                 available.awaitNanos(delay);
  11.             } finally {
  12.                 if (leader == thisThread)
  13.                 leader = null;
  14.             }
  15.     }

代码中的变量leader是一个等待获取队列头部元素的线程。如果leader不等于空，表示已经有线程在等待获取队列的头元素。所以，使用await()方法让当前线程等待信号。如果leader等于空，则把当前线程设置成leader，并使用awaitNanos()方法让当前线程等待接收信号或等待delay时间。

下面实现两种具体场景：

1、模拟一个考试的日子，考试时间为120分钟，30分钟后才可交卷，当时间到了，或学生都交完卷了考试结束。这个场景中几个点需要注意：

实现思想：用DelayQueue存储考生（Student类），每一个考生都有自己的名字和完成试卷的时间，Teacher线程对DelayQueue进行监控，收取完成试卷小于120分钟的学生的试卷。当考试时间120分钟到时，先关闭Teacher线程，然后强制DelayQueue中还存在的考生交卷。每一个考生交卷都会进行一次countDownLatch.countDown()，当countDownLatch.await()不再阻塞说明所有考生都交完卷了，而后结束考试。

Student类实现Runnable和Delayed接口，之后就可以存入DelayQueue中去了：

  1. class Student implements Runnable,Delayed{
  3.     private String name;
  4.     private long workTime;
  5.     private long submitTime;
  6.     private boolean isForce = false;
  7.     private CountDownLatch countDownLatch;
  9.     public Student(){}
  11.     public Student(String name,long workTime,CountDownLatch countDownLatch){
  12.         this.name = name;
  13.         this.workTime = workTime;
  14.         this.submitTime = TimeUnit.NANOSECONDS.convert(workTime, 
  15.                                         TimeUnit.NANOSECONDS)+System.nanoTime();
  16.         this.countDownLatch = countDownLatch;
  17.     }
  19.     @Override
  20.     public int compareTo(Delayed o) {
  21.         // TODO Auto-generated method stub
  22.         if(o == null || ! (o instanceof Student)) return 1;
  23.         if(o == this) return 0; 
  24.         Student s = (Student)o;
  25.         if (this.workTime > s.workTime) {
  26.             return 1;
  27.         }else if (this.workTime == s.workTime) {
  28.             return 0;
  29.         }else {
  30.             return -1;
  31.         }
  32.     }
  34.     @Override
  35.     public long getDelay(TimeUnit unit) {
  36.         // TODO Auto-generated method stub
  37.         return unit.convert(submitTime - System.nanoTime(),  TimeUnit.NANOSECONDS);
  38.     }
  40.     @Override
  41.     public void run() {
  42.         // TODO Auto-generated method stub
  43.         if (isForce) {
  44.             System.out.println(name + " 交卷, 希望用时" + workTime + "分钟"+" ,实际用时 120分钟" );
  45.         }else {
  46.             System.out.println(name + " 交卷, 希望用时" + workTime + 
  47.                                                 "分钟"+" ,实际用时 "+workTime +" 分钟");  
  48.         }
  49.         countDownLatch.countDown();
  50.     }
  52.     public boolean isForce() {
  53.         return isForce;
  54.     }
  56.     public void setForce(boolean isForce) {
  57.         this.isForce = isForce;
  58.     }
  60. }

Teacher类用来收取DelayQueue中时间到了的学生的试卷。也就是说一个学生如果用时大于30分钟小于120分钟，那么当时间到了的时候Teacheer类就会从QelayQueue中取出这个学生。

  1. class Teacher implements Runnable{
  3.     private DelayQueue<Student> students;
  4.     public Teacher(DelayQueue<Student> students){
  5.         this.students = students;
  6.     }
  8.     @Override
  9.     public void run() {
  10.         // TODO Auto-generated method stub
  11.         try {
  12.             System.out.println(" test start");
  13.             while(!Thread.interrupted()){
  14.                 students.take().run();
  15.             }
  16.         } catch (Exception e) {
  17.             // TODO: handle exception
  18.             e.printStackTrace();
  19.         }
  20.     }
  22. }

EndExam类是强制交卷类，当考生用时超过120分钟就会强制从DelayQueue中取出来。

  1. class EndExam extends Student{
  3.     private DelayQueue<Student> students;
  4.     private CountDownLatch countDownLatch;
  5.     private Thread teacherThread;
  7.     public EndExam(DelayQueue<Student> students, long workTime, 
  8.                         CountDownLatch countDownLatch,Thread teacherThread) {
  9.         super("强制收卷", workTime,countDownLatch);
  10.         this.students = students;
  11.         this.countDownLatch = countDownLatch;
  12.         this.teacherThread = teacherThread;
  13.     }
  15.     @Override
  16.     public void run() {
  17.         // TODO Auto-generated method stub
  19.         teacherThread.interrupt();
  20.         Student tmpStudent;
  21.         for (Iterator<Student> iterator2 = students.iterator(); iterator2.hasNext();) {
  22.             tmpStudent = iterator2.next();
  23.             tmpStudent.setForce(true);
  24.             tmpStudent.run();
  25.         }
  26.         countDownLatch.countDown();
  27.     }
  29. }

Exam是考试主类,包含一个main方法：

  1. public class Exam {
  3.     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  4.         // TODO Auto-generated method stub
  5.         int studentNumber = 20;
  6.         CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(studentNumber+1);
  7.         DelayQueue< Student> students = new DelayQueue<Student>();
  8.         Random random = new Random();
  9.         for (int i = 0; i < studentNumber; i++) {
  10.             students.put(new Student("student"+(i+1), 30+random.nextInt(120),countDownLatch));
  11.         }
  12.         Thread teacherThread =new Thread(new Teacher(students)); 
  13.         students.put(new EndExam(students, 120,countDownLatch,teacherThread));
  14.         teacherThread.start();
  15.         countDownLatch.await();
  16.         System.out.println(" 考试时间到，全部交卷！");  
  17.     }
  19. }

2、具有过期时间的缓存
向缓存添加内容时，给每一个key设定过期时间，系统自动将超过过期时间的key清除。这个场景中几个点需要注意：

Cache主类：

  1. public class Cache<K, V> {
  3.     public ConcurrentHashMap<K, V> map = new ConcurrentHashMap<K, V>();
  4.     public DelayQueue<DelayedItem<K>> queue = new DelayQueue<DelayedItem<K>>();
  6.     public void put(K k,V v,long liveTime){
  7.         V v2 = map.put(k, v);
  8.         DelayedItem<K> tmpItem = new DelayedItem<K>(k, liveTime);
  9.         if (v2 != null) {
  10.             queue.remove(tmpItem);
  11.         }
  12.         queue.put(tmpItem);
  13.     }
  15.     public Cache(){
  16.         Thread t = new Thread(){
  17.             @Override
  18.             public void run(){
  19.                 dameonCheckOverdueKey();
  20.             }
  21.         };
  22.         t.setDaemon(true);
  23.         t.start();
  24.     }
  26.     public void dameonCheckOverdueKey(){
  27.         while (true) {
  28.             DelayedItem<K> delayedItem = queue.poll();
  29.             if (delayedItem != null) {
  30.                 map.remove(delayedItem.getT());
  31.                 System.out.println(System.nanoTime()+" remove "+
  32.                                 delayedItem.getT() +" from cache");
  33.             }
  34.             try {
  35.                 Thread.sleep(300);
  36.             } catch (Exception e) {
  37.                 // TODO: handle exception
  38.             }
  39.         }
  40.     }
  42.     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  43.         Random random = new Random();
  44.         int cacheNumber = 10;
  45.         int liveTime = 0;
  46.         Cache<String, Integer> cache = new Cache<String, Integer>();
  48.         for (int i = 0; i < cacheNumber; i++) {
  49.             liveTime = random.nextInt(3000);
  50.             System.out.println(i+"  "+liveTime);
  51.             cache.put(i+"", i, random.nextInt(liveTime));
  52.             if (random.nextInt(cacheNumber) > 7) {
  53.                 liveTime = random.nextInt(3000);
  54.                 System.out.println(i+"  "+liveTime);
  55.                 cache.put(i+"", i, random.nextInt(liveTime));
  56.             }
  57.         }
  59.         Thread.sleep(3000);
  60.         System.out.println();
  61.     }
  63. }

DelayedItem类：

  1. class DelayedItem<T> implements Delayed{
  3.     private T t;
  4.     private long liveTime ;
  5.     private long removeTime;
  7.     public DelayedItem(T t,long liveTime){
  8.         this.setT(t);
  9.         this.liveTime = liveTime;
  10.         this.removeTime = TimeUnit.NANOSECONDS.convert(liveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) + 
  11.                                         System.nanoTime();
  12.     }
  14.     @Override
  15.     public int compareTo(Delayed o) {
  16.         if (o == null) return 1;
  17.         if (o == this) return  0;
  18.         if (o instanceof DelayedItem){
  19.             DelayedItem<T> tmpDelayedItem = (DelayedItem<T>)o;
  20.             if (liveTime > tmpDelayedItem.liveTime ) {
  21.                 return 1;
  22.             }else if (liveTime == tmpDelayedItem.liveTime) {
  23.                 return 0;
  24.             }else {
  25.                 return -1;
  26.             }
  27.         }
  28.         long diff = getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) - o.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS);
  29.         return diff > 0 ? 1:diff == 0? 0:-1;
  30.     }
  32.     @Override
  33.     public long getDelay(TimeUnit unit) {
  34.         return unit.convert(removeTime - System.nanoTime(), unit);
  35.     }
  37.     public T getT() {
  38.         return t;
  39.     }
  41.     public void setT(T t) {
  42.         this.t = t;
  43.     }
  44.     @Override
  45.     public int hashCode(){
  46.         return t.hashCode();
  47.     }
  49.     @Override
  50.     public boolean equals(Object object){
  51.         if (object instanceof DelayedItem) {
  52.             return object.hashCode() == hashCode() ?true:false;
  53.         }
  54.         return false;
  55.     }
  57. }
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