深入理解阻塞隊列

阻塞隊列（BlockingQueue）是一個支持兩個附加操作的隊列。這兩個附加的操作是：在隊列為空時，獲取元素的線程會等待隊列變為非空。當隊列滿時，存儲元素的線程會等待隊列可用。阻塞隊列常用於生產者和消費者的場景，生產者是往隊列里添加元素的線程，消費者是從隊列里拿元素的線程。阻塞隊列就是生產者存放元素的容器，而消費者也只從容器里拿元素。

先放張圖:

根據前面的描述, 我們來考慮下阻塞隊列在程序中會出現的問題:
阻塞隊列 需要實現兩個功能: 使線程等待與喚醒線程. 具體介紹如下:
在極端條件下, 需要掛起線程, 等待隊列滿足條件后，再去執行添加或提取 操作
待隊列滿足了條件之后, 通知線程去繼續其掛起之前的操作....
涉及到的技術:
線程同步 與 線程間通信
可能產生死鎖的分析:
在某個時刻，隊列為空或者是已滿, 此時生產者未能存入數據或者還在存入數據到隊列中, 這就會產生使得隊列出錯
如果此時, 消費者對隊列在進行操作就會產生死鎖...由於之前的生產者的操作使得隊列出了問題並沒有釋放鎖, 此時就會造成死鎖
這是從預防死鎖的角度來解決死鎖問題
首先就是同步資源-隊列的鎖定，既然有鎖那么就要考慮死鎖問題，最后就是線程間的通信。

也就是說，實現阻塞隊列需要考慮這三個點。

查了下資料，大多都是java的封裝好的類庫，不過沒事，反正思想，理論都是一樣的，不同的就是實現不同。但還是有個不錯的C#實現----<< http://www.cnblogs.com/samgk/p/4772806.html C# 實現生產者消費者隊列 >>。該文其實也道出了阻塞隊列在除去生產者-消費者模型外的應用，昨天查資料的時候，阿里程序員寫了篇文章關於郵件接收下載的，就是使用阻塞隊列，但是我忘了原文在哪了。當時看的時候，想起來當初看<<C#高級編程>>第十章的管道。書上介紹的是:開一個task去讀取文件名，放到阻塞隊列中，然后開一個隊列根據文件名讀取內容，這個應用於郵件接收下載是一樣的。暫時先不說這個了，有興趣的可以自己去看看那本書。
那么我們如何自己實現阻塞隊列呢？正如上面說到的考慮點，同步，線程通信，防止死鎖。看看代碼:

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

namespace SuiBao.Utility
{
    ///阻塞隊列（BlockingQueue）是一個支持兩個附加操作的隊列。這兩個附加的操作是：在隊列為空時，獲取元素的線程會等待隊列變為非空。當隊列滿時，存儲元素的線程會等待隊列可用。阻塞隊列常用於生產者和消費者的場景，生產者是往隊列里添加元素的線程，消費者是從隊列里拿元素的線程。阻塞隊列就是生產者存放元素的容器，而消費者也只從容器里拿元素。
    
    //阻塞隊列 需要實現兩個功能: 使線程等待與喚醒線程. 具體介紹如下:
    // 在極端條件下, 需要掛起線程, 等待隊列滿足條件后，再去執行添加或提取 操作
    // 待隊列滿足了條件之后, 通知線程去繼續其掛起之前的操作....
    //涉及到的技術:
    //線程同步(此實例用到了lock) 與 線程間通信(此示例用到了event)
    //
    
    // 可能產生死鎖的分析:
    // 在某個時刻，隊列為空或者是已滿, 此時生產者未能存入數據或者還在存入數據到隊列中, 這就會產生使得隊列出錯
    // 如果此時, 消費者對隊列在進行操作就會產生死鎖...由於之前的生產者的操作使得隊列出了問題並沒有釋放鎖, 此時就會造成死鎖
    // 這是從預防死鎖的角度來解決死鎖問題
    
    public class BlockQueue<T>
    {
        private Queue<T> _inner_queue = null;

        private ManualResetEvent _dequeue_wait = null;

        public int Count
        {
            get { return _inner_queue.Count; }
        }

        public BlockQueue(int capacity = -1)
        {
            this._inner_queue = capacity == -1 ? new Queue<T>() : new Queue<T>(capacity);
            this._dequeue_wait = new ManualResetEvent(false);
        }

        // 入隊加鎖
        public void EnQueue(T item)
        {
            if (this._IsShutdown == true) throw new InvalidOperationException("服務未開啟.[EnQueue]");

            lock (this._inner_queue)
            {
                this._inner_queue.Enqueue(item);
                this._dequeue_wait.Set();
            }
        }

        // 出隊加鎖
        public T DeQueue(int waitTime)
        {
            bool _queueEmpty = false;
            T item = default(T);
            while (true)
            {
                lock (this._inner_queue)
                {
                    // 判斷隊列中是否有元素....
                    if (this._inner_queue.Count > 0)
                    {
                        item = this._inner_queue.Dequeue();
                        this._dequeue_wait.Reset();
                        //break;
                    }
                    else
                    {
                        if (this._IsShutdown == true)
                        {
                            throw new InvalidOperationException("服務未開啟[DeQueue].");
                        }
                        else
                        {
                            _queueEmpty = true;
                        }
                    }
                }
                if (item != null)
                {
                    return item;
                }
                if (_queueEmpty)
                {
                    this._dequeue_wait.WaitOne(waitTime);
                }
            }

        }

        private bool _IsShutdown = false;

        public void Shutdown()
        {
            this._IsShutdown = true;
            this._dequeue_wait.Set();
        }

        public void Clear()
        {
            this._inner_queue.Clear();
        }
    }
}

那么.net中有沒有封裝好的阻塞隊列？有啊！BlockingCollection<>類，其實我之前寫的好些關於線程的文章都說到了這個類庫，用到的地方也多。該類默認的容器是ConcurrentQueue，因此，同步就做好了，而且該類還實現了阻塞的功能:
多個線程或任務可同時向集合添加項，如果集合達到其指定最大容量，則制造線程將發生阻塞，直到移除集合中的某個項。 多個使用者可以同時移除項，如果集合變空，則使用線程將發生阻塞，直到制造者添加某個項。 制造線程可調用 CompleteAdding 來指示不再添加項。 使用者將監視 IsCompleted 屬性以了解集合何時為空且不再添加項。
原文說明 BlockingCollection 概述 (https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/standard/collections/thread-safe/blockingcollection-overview )
感慨一句，微軟的好東西是真多，為什么不能像java那樣輕易地被人發現使用呢？
沒錯，我們使用這個類就可以輕易地實現阻塞隊列了，而且是完美的實現.

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