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阻塞队列

消息队列

阻塞队列用于生产者消费者模型

概念

实现原理

生产者消费者主要优势

缺陷

阻塞队列的实现

1.写一个普通队列

2.加上线程安全和阻塞等待

3.解决代码中的问题

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阻塞队列

阻塞队列，是带有线程安全功能的队列，拥有队列先进先出的特性，并带有阻塞功能。

队列为空，尝试出队列，出队操作就会阻塞，一直阻塞到不为空为止。

队列为满，尝试入队列，入队操作也会阻塞，一直阻塞到队列不满为止。

 过程如下：

消息队列

消息队列的先进先出不是普通的先进先出，而是把topic这样的数据结构作为参数对数据进行分类，而在出对列的时候，指定topic ，每个topic下的数据是先进先出的。消息队列一般也带有阻塞功能。消息队列能够起到的作用是实现"生产者消费者模型",消息队列这种数据结构，在实际开发中经常会被封装成单独的服务器程序，单独部署，这样的服务器程序也被称为消息队列。

阻塞队列用于生产者消费者模型

概念

生产者-消费者模式是一种通过缓冲区将生产者和消费者解耦的设计模式。 生产者线程负责生成数据，而消费者线程负责消费数据。 由于生产者和消费者的工作速度可能不同，因此缓冲区的存在使得它们可以独立运行。

实现原理

在一个进程内，直接可以使用阻塞队列实现。在分布式系统中，需要使用单独部署的消息队列服务器，实现生产者消费者模型。

生产者消费者主要优势

1.解耦合

两个程序A，B，让他们互相调用，意味着A代码种就要包含很多关于B相关的逻辑，B的代码中也会包含和A相关的逻辑，彼此之间就有了一定的耦合，一旦A程序做出修改，可能会影响B相关的逻辑，反之亦然，一旦A出现Bug，那么很容易使B受到牵连。在生产者消费者模型中，使用一个消息队列，将A和B解耦合：

站在A的视角，只和消息队列进行交互，站在B的视角，也之和消息队列进行交互。如果对A程序进行修改，不太容易影响到B程序，遇到Bug，对B也没有影响。如果未来引入C，D等，通过消息队列可以直接让A访问C，D，不需要修改A中的任何代码，直接让A从队列里读取数据即可。 

2.削峰填谷

客户端发送的请求个数是没办法提前预知的，当客户端发送大量请求时，就会导致服务器遇到的请求激增，此时服务器内部有些复杂的程序就会消耗大量资源，导致崩溃。服务器每次处理一个请求就会消耗一定的系统资源，如果同一时刻要处理等待请求多了，消耗的总资源数目超出机器能提供的上限，那么就会出现机器卡死的情况。引入消息队列（mq）：

 此时，当A段收到一个请求，就会把请求传递给消息队列，通过消息队列把请求传递给B，无论A给队列请求有多块，B都可以按照固有的节奏来处理这些请求，提高系统的可用性。

缺陷

引入阻塞队列实现生产者消费者模型，效率不如直接访问更快，如上图，多了一次A想mq传递请求，多了一次周转，也多了一次网络通信，效率会有所折损，不适合用在响应熟读要求特别高的场景。

阻塞队列的实现

 阻塞队列是线程安全并带有阻塞功能的队列。

1.写一个普通队列

使用数组实现普通的队列，队列的属性包含一个数组，队首下标，队尾下标，元素个数，实现入队和出队操作。

public class QueueBlock {
    private int[] array;
    private int head;
    private int last;
    private int  size;
    void put(int elem) {
        //判断是否满了，队列满进入阻塞状态
        if(array.length >= size) {
            return;
        }
        array[last] = elem;
        last++;
        if(last >= array.length) {
            last = 0;
        }
        size++;
    }
    int take() {
        //判断是否为空，为空时进入 阻塞
        if(size == 0) {
            return 0;
        }
        int ret = array[head];
        head++;
        if(head >= array.length) {
            head = 0;
        }
        size--;
        return ret;
    }
}

2.加上线程安全和阻塞等待

当进行关键代码时，需要加锁，防止在多线程情况下，误判队列满或者空。队满进行wait操作阻塞执行，直到进行take操作入队时解除阻塞状态，队空时也进行wait操作阻塞执行，直到进行put操作出队时解除阻塞状态，也就是说，两个方法互相唤醒对方，由于在一个队列中不会存在既是满又是空的情况，，所以调用的两个方法不会同时进入阻塞状态。

 void put(int elem) throws InterruptedException {
        //判断是否满了，队列满进入阻塞状态
        //判满时需要加锁，保证数据真实有效
        synchronized (this) {
            if(array.length >= size) {
                wait();//阻塞等待
            }
        }
        array[last] = elem;
        last++;
        if(last >= array.length) {
            last = 0;
        }
        size++;
        this.notify();
    }
    int take() throws InterruptedException {
        //判断是否为空，为空时进入阻塞
        //判空时需要加锁，保证数据真实有效
        synchronized (this) {
            if(size == 0) {
               wait();
            }
        }
        int ret = array[head];
        head++;
        if(head >= array.length) {
            head = 0;
        }
        size--;
        this.notify();
        return ret;
    }

解除阻塞图片描述如下：

3.解决代码中的问题

wait操作不仅仅会被notify唤醒，还有可能被其他操作唤醒，比如interrupt。也就是说，在进行等待操作时，可能被其他操作终止，然后继续向下执行，这时可以使用while循环搭配条件使用，在线程唤醒之后再次对条件进行判断，队列为空/满将再次进行阻塞，等待真正的唤醒操作。于是代码最终改进为：

public class QueueBlock {
    private int[] array;
    private int head;
    private int last;
    private int  size;
    void put(int elem) throws InterruptedException {
        //判断是否满了，队列满进入阻塞状态
        //判满时需要加锁，保证数据真实有效
        synchronized (this) {
            while(array.length >= size) {
                wait();//阻塞等待
            }
        }
        array[last] = elem;
        last++;
        if(last >= array.length) {
            last = 0;
        }
        size++;
        this.notify();
    }
    int take() throws InterruptedException {
        //判断是否为空，为空时进入阻塞
        //判空时需要加锁，保证数据真实有效
        synchronized (this) {
            while(size == 0) {
               wait();
            }
        }
        int ret = array[head];
        head++;
        if(head >= array.length) {
            head = 0;
        }
        size--;
        this.notify();
        return ret;
    }
}