자바 큐란 무엇인가

큐는 "선입선출" 원칙을 따르는 특별한 선형 테이블입니다. 일상적인 사용에서는 종종 데이터를 동시에 조작하는 데 사용합니다. 동시 프로그래밍에서는 스레드로부터 안전한 큐를 사용해야 하는 경우가 있습니다. 스레드로부터 안전한 대기열을 구현하려는 경우 일반적으로 두 가지 방법이 있습니다. 하나는 차단 대기열을 사용하는 것이고, 다른 하나는 스레드 동기화 잠금을 사용하는 것입니다.

차단 대기열이란 무엇인가요?

빵을 먹는 손님과 빵을 굽는 요리사가 있는 빵집이 있다고 가정해 보세요. 바구니에는 최대 2개의 빵을 넣을 수 있습니다. 셰프는 테스트를 마친 후 빵을 바구니에 넣고 손님이 빵을 먹을 때 바구니에서 꺼냅니다. 손님이 빵을 먹을 때 바구니에 빵이 있거나, 셰프가 빵을 구울 때 바구니가 넘치지 않는 경우, 이때 우리가 흔히 생산자-소비자 모델이라고 부르는 대기열 차단 개념을 도입해야 합니다. .

차단 대기열은 두 가지 추가 작업을 지원하는 대기열입니다. 이러한 두 가지 추가 작업은 차단 삽입 및 제거 방법을 지원합니다.

(1) 차단 삽입 방법 지원: 대기열이 가득 차면 대기열이 가득 차지 않을 때까지 스레드 삽입 요소를 차단한다는 의미입니다.

(2) 차단 제거 방법 지원: 즉, 대기열이 비어 있으면 요소를 획득하는 스레드가 대기열이 비어 있지 않을 때까지 기다립니다. 차단 큐는 생산자 및 소비자 시나리오에서 자주 사용됩니다. 생산자는 큐에 요소를 추가하는 스레드이고 소비자는 큐에서 요소를 가져오는 스레드입니다. 차단 대기열은 생산자가 요소를 저장하기 위해 사용하고 소비자가 요소를 얻기 위해 사용하는 컨테이너입니다.

시스템의 비차단 대기열: PriorityQueue 및 ConcurrentLinkedQueue

비차단 대기열 간의 관계를 살펴보겠습니다(PriorityQueue를 예로 들어):

PriorityQueue 클래스는 AbstractQueue에서 상속하고 다음을 구현합니다. 직렬화 가능 인터페이스. 본질적으로 순서가 지정된 목록을 유지 관리하는 PriorityQueue는 Java 유틸리티 패키지에 있습니다. 이름의 앞부분에 있는 Priority라는 단어는 실제로 이 큐에 "우선순위"가 있음을 의미합니다. 대기열에 추가된 요소는 자연스러운 순서(java.util.Comparable 구현을 통해) 또는 생성자에 전달된 java.util.Comparator 구현에 따라 배치됩니다.

ConcurrentLinkedQueue는 연결된 노드를 기반으로 하는 스레드로부터 안전한 대기열입니다. 동시 액세스에는 동기화가 필요하지 않습니다. 큐의 꼬리에 요소를 추가하고 헤드에서 요소를 제거하기 때문에 공통 컬렉션에 대한 ConcurrentLinkedQueue의 공유 액세스는 큐의 크기를 몰라도 잘 작동합니다. 대기열 크기에 대한 정보를 수집하는 것은 느리고 대기열을 통과해야 합니다. ConcurrentLinkedQueue는 연결된 노드를 기반으로 하는 무제한 스레드 안전 대기열입니다. 요소를 추가할 때 선입선출 규칙을 사용합니다. 이는 대기열의 꼬리에 추가됩니다. 요소를 얻으면 대기열의 선두에 있는 요소를 반환합니다.

차단 인터페이스를 구현하는 대기열:

java.util.concurrent는 BlockingQueue 인터페이스와 5개의 차단 대기열 클래스를 추가합니다. 이는 본질적으로 변형된 FIFO 데이터 구조입니다. 대기열에서 요소를 즉시 추가하거나 제거하는 대신 작업을 실행하는 스레드는 공간이나 요소를 사용할 수 있을 때까지 차단합니다.

5개의 대기열은 서로 다른 대기열을 제공합니다.

·ArrayBlockingQueue: 배열이 지원하는 제한된 대기열.

·LinkedBlockingQueue: 연결된 노드가 지원하는 선택적 제한 대기열입니다.

·PriorityBlockingQueue: 우선순위 힙이 지원하는 무제한 우선순위 큐.

·DelayQueue: 우선순위 힙이 지원하는 시간 기반 일정 대기열입니다.

·SynchronousQueue: BlockingQueue 인터페이스를 사용하는 간단한 랑데부 메커니즘입니다.

ArrayBlockingQueue와 LinkedBlockingQueue 사이의 상속 관계를 살펴보겠습니다.

두 클래스 사이의 상속 관계를 살펴보면 이 두 클래스도 AbstractQueue에서 상속하고 직렬화 가능 인터페이스를 구현한다는 것을 알 수 있습니다. 차이점은 BlockingQueue 인터페이스를 동시에 구현한다는 것입니다.

그 중 일부에 대한 간략한 소개:

LinkedBlockingQueueLinkedBlockingQueue의 기본 크기는 캐시된 제한 대기 큐로 이해될 수 있습니다. 최대 용량을 지정하도록 선택할 수 있습니다. 이 큐는 FIFO에 따라 요소를 정렬합니다. 안으로, 먼저 밖으로). 생산자가 데이터 조각을 대기열에 넣으면 대기열 버퍼가 최대 캐시 용량에 도달하면(LinkedBlockingQueue는 생성자를 통해 이 값을 지정할 수 있음) 소비자가 대기열에서 소비할 때까지 생산자 대기열이 차단됩니다. 데이터 조각이 삭제되면 생산자 스레드가 활성화되고 소비자의 경우 그 반대도 마찬가지입니다.

ArrayBlockingQueue는 구성 시 용량을 지정해야 하며, 공정성 매개변수가 true로 설정되면 대기 시간이 가장 긴 스레드가 먼저 처리됩니다(실제로 이 공정성은 ReentrantLock을 설정하여 달성됩니다). to true : 즉, 대기 시간이 가장 긴 스레드가 먼저 작동합니다. 일반적으로 공정성은 성능 측면에서 비용이 많이 들기 때문에 꼭 필요한 경우에만 사용하십시오. FIFO(선입선출) 원칙에 따라 요소를 정렬하는 배열 기반 차단 순환 큐입니다.

PriorityBlockingQueue는 선입선출 대기열이 아닌 우선순위 대기열입니다. 우선순위에 따라 요소가 제거되고 큐에는 상한이 없습니다(소스 코드를 살펴보면 PriorityBlockingQueue는 힙 데이터 구조를 기반으로 PriorityQueue를 리패키징한 것이며 PriorityQueue에는 ArrayList와 마찬가지로 용량 제한이 없으므로 이 큐는 논리적으로 바인딩되어 있지 않지만 추가 작업을 수행하려고 하면 리소스가 소진되어 OutOfMemoryError가 발생할 수 있지만 큐가 비어 있으면 가져오는 작업이 차단됩니다. 요소가 차단되므로 해당 검색 작업이 차단됩니다. 또한 대기열에 들어가는 요소에는 비교 기능이 있어야 합니다.

ConcurrentLinkedQueue 및 LinkedBlockingQueue 정보:

는 차단 대기열과 비차단 대기열의 차이점으로도 이해될 수 있습니다.

1 LinkedBlockingQueue는 잠금 메커니즘을 사용하고 ConcurrentLinkedQueue는 CAS 알고리즘을 사용합니다. LinkedBlockingQueue도 CAS 알고리즘을 사용합니다.

2. 요소 가져오기와 관련하여 ConcurrentLinkedQueue는 요소 가져오기 차단을 지원하지 않으며 LinkedBlockingQueue는 차단 take() 메서드를 지원합니다.

3. 실제 사용 시, 특히 다중 CPU 서버에서 요소 삽입 성능과 관련하여 ConcurrentLinkedQueue는 LinkedBlockingQueue보다 훨씬 빠릅니다.

생산자-소비자 코드:

인터넷에서 생산자-소비자의 작은 예를 보았는데, 이는 차단 대기열을 이해하는 데 매우 도움이 됩니다. 코드는 다음과 같습니다.

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
 
public class BlockingQueueTest {
    public static class Basket {
        BlockingQueue<String> basket = new ArrayBlockingQueue<>(3);
 
        private void produce() throws InterruptedException {
            basket.put("苹果");
        }
 
        private void consume() throws InterruptedException {
            basket.take();
        }
 
        private int getAppleNumber() {
            return basket.size();
        }
    }
 
    private static void testBasket() {
        final Basket basket = new Basket();
        class Producer implements Runnable {
            public void run() {
                try {
                    while (true) {
                        System.out.println("生产者开始生产苹果###");
                        basket.produce();
                        System.out.println("生产者生产苹果完毕###");
                        System.out.println("篮子中的苹果数量：" + basket.getAppleNumber() + "个");
                        Thread.sleep(300);
                    }
                } catch (InterruptedException e) {}
            }
        }
 
        class Consumer implements Runnable {
            public void run() {
                try {
                    while (true) {
                        System.out.println("消费者开始消费苹果***");
                        basket.consume();
                        System.out.println("消费者消费苹果完毕***");
                        System.out.println("篮子中的苹果数量：" + basket.getAppleNumber() + "个");
                        Thread.sleep(1000);
                    }
                } catch (InterruptedException e) {}
            }
        }
        ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
        Producer producer = new Producer();
        Consumer consumer = new Consumer();
        service.submit(producer);
        service.submit(consumer);
        try {
            Thread.sleep(10000);
        } catch (InterruptedException e) {}
        service.shutdownNow();
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        BlockingQueueTest.testBasket();
    }
}

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