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如何应对Android面试官->阻塞队列和线程池原理，手写自动收货系统核心实现

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阻塞队列

队列

一种数据结构，先进先出；

阻塞队列

队列满了，不能放入新的数据，这个放的操作就是阻塞队列；

队列空的，想要从队列中取出数据，这个取的操作就是阻塞队列；

阻塞队列专用接口：BlockingQueue

如何应对Android面试官->阻塞队列和线程池原理，手写自动收货系统核心实现

阻塞队列中不仅仅是有阻塞方法，还有非阻塞方法；

阻塞队列中的接口一般都是成对儿出现的，例如 add/remove  offer/poll  take/put

add/remove 是非阻塞的，但是往一个满的队列添加数据的时候会抛出一个异常，往一个空的队列删除数据的时候会抛出一个异常；

offer/poll 是非阻塞的，但是往一个满的队列添加数据的时候会返回一个 false，往一个空的队列删除数据的时候会返回一个 null；

take/put 是阻塞的；

阻塞队列常用来解决什么问题？

通常用来解决生产者与消费者模式；生产者将产物交给队列，消费者从队列中获取，无需关心产物来自哪里，解耦生产者和消费者；

一种是生产者速度大于消费者速度，一种是消费者速度大于生产者速度，为了平衡生产者和消费者之间的这种关系，中间添加了一层容器，生产者只管将生产的内容放入容器，消费者只管从容器中获取数据内容，无需关心内容从哪里来的；

常用的阻塞队列

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ArrayBlockingQueue：一个由数组结构组成的有界阻塞队列；

LinkedBlockingQueue：一个由链表结构组成的有界阻塞队列；

PriorityBlockingQueue：一个支持优先级排序的无界阻塞队列；

DelayQueue：一个使用优先级队列实现的无界阻塞队列；

SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列；

LinkedTransferQueue：一个由链表结构组成的无界阻塞队列；

LinkedBlockingDeque：一个由链表结构组成的双向阻塞队列；

**有界：**队列长度是有限制的，满了以后生产者就会被阻塞（规定了最大容量）；

**无界：**可以不停的往里面放东西，不会被阻塞（没有规定最大容量）；

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构造方法中指明了最大容量；

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构造方法中指明的是初始容量，可以无限的往里面添加内容；

如何应对Android面试官->阻塞队列和线程池原理，手写自动收货系统核心实现

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DelayQueue：支持元素的延迟获取，DelayQueue 对泛型进行了约束，它是 Delayed 的子类，而 Delayed 又是 Comparable 的子类；Comparable 用来做比较，getDelay() 返回当前元素当前实测的一个剩余时长，也就是说当我们往一个 DelayQueue 中放入一个元素的时候，比较的是当前元素的一个剩余时长，谁的时间短，谁就排在队列的前面，最先被取出来，同时 DelayQueue 在阻塞的情况下还比 BlockingQueue 多了一个约束，什么约束呢？就是说：当你从 DelayQueue 中取元素的时候，如果元素剩余时间还没到，是获取不到元素的。必须要等到时间到了才能获取到，通常用来设计单机系统；

SynchronousQueue：当我们使用生产者线程往 SynchronousQueue 放入元素的时候，就必须同时一个消费者线程在对端使用 take 方法将这个元素取走，否则生产者是不能继续往里面添加元素的，常用于数据的直接传递；

如何应对Android面试官->阻塞队列和线程池原理，手写自动收货系统核心实现

如何应对Android面试官->阻塞队列和线程池原理，手写自动收货系统核心实现

LinkedTransferQueue：比其他队列多了一个 transfer 方法，尝试传输，当生产者把元素通过队列传给消费者的时候，它发现正好有一个消费者在等待着获取元素的时候，那么它就会把这个元素直接交给消费者，不再往队列里面放，但是这里有一个约束：如果没有消费者来接收这个元素，那么 transfer 就会阻塞在那里，直到有消费者接收这个元素之后，transfer 才会返回；而 tryTransfer 会先进行试探，试探这个元素有没有消费者接收，没有消费者接收，就会把这个元素放入容器里，tryTransfer 马上就会结束；

LinkedBlockingDeque：一般的队列都是一个入口，一个出口，而 LinkedBlockingDeque 队列可以同时作为出口和入口；

线程池

什么是线程池？

为了节省线程的创建和销毁时间，缩短任务总的执行时间，准备一批线程放在那里统一管理分配使用，而存放这批线程的空间，就叫线程池；

为什么需要线程池？

new Thread，创建线程，它会消耗操作系统资源，不管是创建线程还是销毁线程都是有资源消耗的；

执行一个线程需要的时间：T1、创建线程时间；T2、任务执行时间；T3、线程销毁时间；

所以线程是稀缺昂贵的资源；

如何创建线程池，各个参数的含义？

如何应对Android面试官->阻塞队列和线程池原理，手写自动收货系统核心实现

  1. corePoolSize
  • 当前线程池的核心线程数；
  1. int maximumPoolSize
  • 当前线程池的最大线程数，表示当前线程池所能够使用的最大线程数量；
  1. long keepAliveTime
  • 存活时间；用来控制空闲的线程的存活时间，如果超过了存活时间，线程就会被销毁；
  1. TimeUnit unit
  • 存活时间单位 s/ms；
  1. BlockingQueue workQueue

  • 缺省阻塞队列实现；

  • 当任务数量大于线程数量的时候，超过的任务数放到阻塞队列中，例如：maximumPoolSize 设置的 100，但是我们往线程池中提交了 1000 个线程，那么剩余的 900 个就会放入这个阻塞队列中；

  • 尽量配置成有界的阻塞队列，无界的可能会撑爆机器；

  1. ThreadFactory threadFactory
  • 线程创建的时候，可以允许我们对线程做一点点微调整工作，通常给线程定一个名字；
  1. RejectedExecutionHandler handler

  • 拒绝策略，对超出线程池能力的任务提出的一种拒绝策略；

  • 假设最大线程数和阻塞队列一共可以装载 2000 个，但是提交了 2001 个任务，不能处理了，就需要这个拒绝策略来拒绝(怎么处理超出能力之外的任务)；

  • 缺省拒绝策略；

  • DiscardOldestPolicy：直接丢弃最老的任务，排在队列最前面的扔掉，执行当前任务；

  • AbortPolicy：直接抛出异常；

  • CallerRunsPolicy：让调用者线程执行任务，哪个线程往线程池提交任务，就由谁来执行(you can you up)；

  • DiscardPolicy：把最新提交的任务直接抛弃；

任务提交

  1. execute()：无返回结果；
  2. submit()：有返回结果，当需要关心返回结果的时候使用此方法；

任务中断

  1. shutdown()： 尝试关闭一个线程池，把所有没有执行任务的线程进行一个中断；
  2. shutdownNow()：不管当前线程有没有执行，都尝试进行中断(不一定会成功，线程中断是一种协作机制，完全取决于有没有良好的处理中断信号)；

根据任务类型，如何合理配置参数？

  1. CPU密集型任务

  • 频繁从内存中取数据计算的任务就是 CPU 密集型任务；

  • maximumPoolSize 的值不要超过机器的 CPU 核心数；

  • 通过接口 Runtime.getRuntime().availableProcessors() 来获取 CPU 的核心数，顶多加个1（因为机器的内存有限，操作系统会把磁盘一部分划分出来作为虚拟内存，+1 是为了防止页缺失状态）；

  • 页缺失状态：操作系统划分为真实内存和磁盘，但是会在磁盘上开辟一块空间作为虚拟内存，线程执行的数据一部分放在真实内存中，一部分可能放在虚拟内存中，如果数据放在虚拟内存中，那么操作系统不得不把这些数据调度到内存中，一旦发生这种情况，那么操作系统就会让线程进入一种叫做页缺失的状态(等到数据被调度到内存之后，再把线程唤醒，让线程继续工作)；

  1. IO密集型任务
  • 网络通信，读写磁盘的任务就是 IO 密集型任务；
  • maximumPoolSize 的值一般是 CPU 核心数的 2 倍；
  1. 混合密集型任务

  • 既有 CPU 密集型 又有 IO 密集型就是混合型任务；

  • 如果两个任务耗时差不多的话，就考虑拆分成两个线程池；

  • 如果两个任务耗时相差很大，哪个大设置哪个类型，例如 CPU 耗时 10ms，IO 耗时5s，那么就设置成 IO 密集型；

任务执行顺序（线程池工作机制）

  1. 提交任务，先交给 corePoolSize 中的线程执行；

  2. corePoolSize 满了之后，交给 BlockingQueue 队列；

  3. BlockingQueue 队列满了之后才交给最大线程数 maximumPool 中的线程；

  4. 最大线程数满了之后，交给拒绝策略进行拒绝处理；

整体流程图如下：

如何应对Android面试官->阻塞队列和线程池原理，手写自动收货系统核心实现

针对 IO 密集型任务，这里额外涉及到的两个知识点：DMA 机制、零拷贝技术；

DMA机制（IO操作不使用CPU）

CPU 在操作 IO 设备的时候，它不会自己去读写，而是向磁盘控制器，网络控制器发送一个信号「你要做什么事情，做完之后通知我」磁盘控制器或者网络控制器做完之后就会给 CPU 发出一个中断信号「硬件含义的中断」意思是「我处理完了，请你 CPU 处理」；这个过程 CPU 完全不参与，全部交给磁盘控制器来操作；

零拷贝

现代 OS 提出了两个空间概念：内核空间和用户空间，内核空间共享，用户空间独立，用户空间不能直接访问内核空间，只能通过接口( Binder 机制)，例如：用户空间想访问内核空间网络硬件接口，只能通过内核空间提供的接口，因为用户空间不能直接访问网卡，需要将网卡提供的数据交给内核空间，内核空间再把数据拷贝到用户空间，这个交替的过程没有任何修改，就是一个简简单单的数据拷贝。当用户空间修改完数据之后，还得拷贝到内核空间交给网卡，那么这么一次网络通信发生了至少两次的拷贝，毫无意义，所以提出了零拷贝技术「OS 允许用户空间在内核空间单独申请一个空间，并且允许用户空间可以直接访问这块空间，那么所有的交互都直接通过这块空间进行，无需拷贝」；

线程池中的线程如何被复用？

线程执行了 run 方法会终止，抛出了异常会终止，那么就让当前线程的 run 方法执行不完，让当前线程在阻塞队列上 take，被阻塞；也就是当前线程调用阻塞队列的 take 方法使其阻塞起来，有任务 put 进来了再继续执行；

订单自动收货系统核心实现（队列 + 线程池）

我们在某宝购物之后，当订单收货之后，如果一段时间没有点击收货，那么就会自动收货，核心实现如下：

自动收货系统可以使用 DelayQueue 来实现，通过两个线程，一个是放需要自动收货的线程，一个是取需要自动收货的线程；

订单数据bean

public class OrderItem {    
    private final String orderNum;    
    private final double orderMoney;    
    public OrderItem(String orderNum, double orderMoney) {              
        this.orderNum = orderNum;        
        this.orderMoney = orderMoney;    
    }    

    public String getOrderNum () {        
        return orderNum;    
    }    

    public double getOrderMoney() {        
        return orderMoney;    
    }
}

订单过期和排序

使用 DelayQueue 需要实现 Delayed 接口，用来获取过期时间以及过期时间的排序

public class Item<T> implements Delayed {    
    // 到期时间    
    private long activeTime;    
    // 订单    
    private  T data;    
    
    public Item(long expireTime, T data) {        
        this.activeTime = expireTime * 1000 + System.currentTimeMillis();        
        this.data = data;    
    }    
    
    public long getActiveTime () {        
        return activeTime;    
    }    
    public T getData() {        
        return data;    
    }    
    
    // 返回到激活日期的剩余时间    
    @Override    
    public long getDelay(TimeUnit unit) {        
        return unit.convert(this.activeTime - System.currentTimeMillis(), unit);    
    }    
    
    @Override    
    public int compareTo(Delayed o) {        
        long d = (getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS) - o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS));        
        if (d == 0) {            
            return 0;        
        } else {            
            if (d < 0) {                
                return -1;            
            } else {                
                return 1;            
            }        
        }    
    }
}

存放自动收货订单线程

public class PutOrderItem implements Runnable{    
    private DelayQueue<Item<OrderItem>> putQueue;    
    public PutOrderItem(DelayQueue<Item<OrderItem>> queue) {        
        this.putQueue = queue;    
    }    
    
    @Override    
    public void run() {        
        OrderItem orderItem = new OrderItem("PDD12345", 400);        
        Item<OrderItem> item = new Item<>(5, orderItem);        
        putQueue.offer(item);        
        System.out.println("订单5秒后超时： " + orderItem.getOrderNum() + "" + orderItem.getOrderMoney());        
        
        OrderItem orderItem1 = new OrderItem("PDD54321", 500);        
        Item<OrderItem> item1 = new Item<>(8, orderItem1);        
        putQueue.offer(item1);        
        System.out.println("订单8秒后超时： " + orderItem1.getOrderNum() + "" + orderItem1.getOrderMoney());    
    }
}

获取自动收货订单线程

public class FetchOrderItem implements Runnable {    
    private DelayQueue<Item<OrderItem>> fetchQueue;    
    public FetchOrderItem(DelayQueue<Item<OrderItem>> queue) {        
        this.fetchQueue = queue;    
    }    
    @Override    
    public void run() {       
        while (true) {            
            try {                
                Item<OrderItem> item = fetchQueue.take();                
                OrderItem data = item.getData();                
                System.out.println("获取到的需要自动收货的订单：" + data.getOrderNum() + ", " + data.getOrderMoney());            
            } catch (InterruptedException e) {                
                e.printStackTrace();            
            }        
        }    
    }
}

启动线程

public class TestDelayQueue {    
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {        
        DelayQueue<Item<OrderItem>> queue = new DelayQueue<>(); 
        
        // 使用线程池       
        PutOrderItem putOrderItem = new PutOrderItem(queue);
        //        Thread putThread = new Thread(putOrderItem);
        //        putThread.start();        
        FetchOrderItem fetchOrderItem = new FetchOrderItem(queue);
        //        Thread fetchThread = new Thread(fetchOrderItem);
        //        fetchThread.start();  
        ExecutorService threadPool = new ThreadPoolExecutor(2, 4, 3, TimeUnit.SECONDS, 
            new ArrayBlockingQueue<Runnable>(10), new ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy())      
        // ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(2);        
        threadPool.execute(putOrderItem);        
        threadPool.execute(fetchOrderItem);
         
        // 这里用来打印当前进度       
        for (int i = 0; i < 20; i++) {            
            Thread.sleep(500);            
            System.out.println("i*500 = " + i*500);        
        }        }
}

简历润色

简历上可写：深度理解阻塞队列和线程池原理，并熟练运用，可手写自动收货系统核心实现；

下一章预告

带你玩转 AQS 和 volatile；

欢迎三连

来都来了，点个关注、点个赞吧~~