Java 中的阻塞队列_java阻塞队列

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什么是阻塞队列

 7 个阻塞队列

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。

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什么是阻塞队列

        阻塞队列（BlockingQueue）是一个支持两个附加操作的队列。

这两个附加的操作支持阻塞的插入和移除方法。

• 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。
• 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。

• 抛出异常：当队列满时，如果再往队列里插入元素，会抛出 IllegalStateException （"Queue full"）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。
• 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。

 7 个阻塞队列

ArrayBlockingQueue：一个由数组结构组成的有界阻塞队列。

        ArrayBlockingQueue 是一个用数组实现的有界阻塞队列。此队列按照先进先出 （FIFO）的原则对元素进行排序。默认情况下不保证线程公平的访问队列。

// 访问者的公平性是使用可重入锁实现的。
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
     if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
     this.items = new Object[capacity];
     lock = new ReentrantLock(fair);
     notEmpty = lock.newCondition();
     notFull = lock.newCondition();
}

LinkedBlockingQueue：一个由链表结构组成的有界阻塞队列。

        LinkedBlockingQueue 是一个用链表实现的有界阻塞队列。此队列的默认和最大长度为 Integer.MAX_VALUE。此队列按照先进先出的原则对元素进行排序。 

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

        PriorityBlockingQueue 是一个支持优先级的无界阻塞队列。默认情况下元素采取自然顺序升序排列。也可以自定义类实现 compareTo()方法来指定元素排序规则，或者初始化 PriorityBlockingQueue 时，指定构造参数 Comparator 来对元素进行排序。需要注意的是不能保证同优先级元素的顺序。 

DelayQueue：一个使用优先级队列实现的无界阻塞队列。

         DelayQueue 是一个支持延时获取元素的无界阻塞队列。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。

   DelayQueue 运用在以下应用场景。

• 缓存系统的设计：可以用 DelayQueue 保存缓存元素的有效期，使用一个线程循环查询 DelayQueue，一旦能从 DelayQueue 中获取元素时，表示缓存有效期到了。
• 定时任务调度：使用 DelayQueue 保存当天将会执行的任务和执行时间，一旦从 DelayQueue 中获取到任务就开始执行，比如 TimerQueue 就是使用 DelayQueue 实现的。

实现 Delayed 接口，ScheduledThreadPoolExecutor 里 ScheduledFutureTask 类的实现

private static final AtomicLong sequencer = new AtomicLong(0);
ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns, long period){
     super(r, result);
     // 使用 time 记录当前对象延迟到什么时候可以使用
     this.time = ns;
     this.period = period;
     // 使用 sequenceNumber 来标识元素在队列中的先后顺序
     this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement();
 }
/*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。*/
// 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
public long getDelay(TimeUnit unit) {
 return unit.convert(time - now(), TimeUnit.NANOSECONDS);
}
// 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。
public int compareTo(Delayed other) {
     if (other == this)// compare zero ONLY if same object
     return 0;
     if (other instanceof ScheduledFutureTask) {
         ScheduledFutureTask<> x = (ScheduledFutureTask<>) other; long diff = time - x.time;
         if (diff < 0) return -1;
         else if (diff > 0) return 1;
         else if (sequenceNumber < x.sequenceNumber) return -1;
         else return 1;
     }
     long d = (getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) other.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS));
     return (d == 0) ? 0 : ((d < 0) ? -1 : 1);
}

 实现延时阻塞队列

// 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
long delay = first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS);
if (delay <= 0) return q.poll();
else if (leader != null) available.await();
else {
     Thread thisThread = Thread.currentThread();
     leader = thisThread;
     try {
         available.awaitNanos(delay);
     } finally {
         if (leader == thisThread) leader = null;
     }
}
/*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。
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。*/

SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列。

         每一个 put 操作必须等待一个 take 操作，否则不能继续添加元素。 它支持公平访问队列。默认情况下线程采用非公平性策略访问队列。使用以下构造方法可以创建公平性访问的 SynchronousQueue，如果设置为 true，则等待的线程会采用 先进先出的顺序访问队列。

public SynchronousQueue(boolean fair) { 
transferer = fair new TransferQueue() :new TransferStack(); 
}

SynchronousQueue可以看成是一个传球手，负责把生产者线程处理的数据直接传递 给消费者线程。队列本身并不存储任何元素，非常适合传递性场景。SynchronousQueue 的吞吐量高于 LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue。

LinkedTransferQueue：一个由链表结构组成的无界阻塞队列。

LinkedTransferQueue 是一个由链表结构组成的无界阻塞 TransferQueue 队列。相对于 其他阻塞队列，LinkedTransferQueue 多了 tryTransfer 和 transfer 方法。

transfer 方法

/*如果当前有消费者正在等待接收元素（消费者使用 take()方法或带时间限制的poll()
方法时），transfer 方法可以把生产者传入的元素立刻 transfer（传输）给消费者。
如果没有消费者在等待接收元素，transfer 方法会将元素存放在队列的 tail 节点，
并等到该元素被消费者消费了才返回*/
// 试图把存放当前元素的 s 节点作为 tail 节点
Node pred = tryAppend(s, haveData);
/* CPU 自旋等待消费者消费元素。
因为自旋会消耗 CPU，所以自旋一定的次数后
使用Thread.yield()方法来暂停当前正在执行的线程，并执行其他线程。*/
return awaitMatch(s, pred, e, (how == TIMED), nanos);

tryTransfer 方法

        tryTransfer 方法是用来试探生产者传入的元素是否能直接传给消费者。

• 如果没有消费者等待接收元素，则返回 false。和 transfer 方法的区别是 tryTransfer 方法无论消费者是否接收，方法立即返回，而 transfer 方法是必须等到消费者消费了才返回。
• 对于带有时间限制的 tryTransfer（E e，long timeout，TimeUnit unit）方法，试图把生产者传入的元素直接传给消费者，但是如果没有消费者消费该元素则等待指定的时间 再返回，如果超时还没消费元素，则返回 false，如果在超时时间内消费了元素，则返回 true。 

LinkedBlockingDeque：一个由链表结构组成的双向阻塞队列。

        LinkedBlockingDeque 是一个由链表结构组成的双向阻塞队列。

        所谓双向队列指的是可以从队列的两端插入和移出元素。双向队列因为多了一个操作队列的入口，在多线程同时入队时，也就减少了一半的竞争。相比其他的阻塞队列，LinkedBlockingDeque 多了 addFirst、addLast、offerFirst、offerLast、peekFirst 和 peekLast 等方法，以 First 单词结尾 的方法，表示插入、获取（peek）或移除双端队列的第一个元素。以 Last 单词结尾的方 法，表示插入、获取或移除双端队列的最后一个元素。

另外，插入方法 add 等同于 addLast，移除方法 remove 等效于 removeFirst。但是 take 方法却等同于 takeFirst，使用时还是用带有 First 和 Last 后缀的方法更清楚。

在初始化 LinkedBlockingDeque 时可以设置容量防止其过度膨胀。另外，双向阻塞队 列可以运用在“工作窃取”模式中。