Java阻塞队列

本篇文章主要是介绍Java并发包中的几种阻塞队列和阻塞原理

背景

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

1）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。

2）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。

在阻塞队列不可用时，这两个附加操作提供了4种处理方式

抛出异常：是指当阻塞队列满时候，再往队列里插入元素，会抛出 IllegalStateException("Queue full") 异常。当队列为空时，从队列里获取元素时会抛出 NoSuchElementException 异常 。

返回特殊值：插入方法会返回是否成功，成功则返回 true。移除方法，则是从队列里拿出一个元素，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，直到拿到数据，或者响应中断退出。当队列空时，消费者线程试图从队列里 take 元素，队列也会阻塞消费者线程，直到队列可用。

超时退出：当阻塞队列满时，队列会阻塞生产者线程一段时间，如果超过一定的时间，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

阻塞队列

JDK7 提供了 7 个阻塞队列。分别是

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

ArrayBlockingQueue 

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

items：一个Object的数组

tackIndex：出队列的下标

putIndex：入队列的下标

count：队列中元素的数量

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。默认情况下不保证访问者公平的访问队列，所谓公平访问队列是指阻塞的所有生产者线程或消费者线程，当队列可用时，可以按照阻塞的先后顺序访问队列，即先阻塞的生产者线程，可以先往队列里插入元素，先阻塞的消费者线程，可以先从队列里获取元素。通常情况下为了保证公平性会降低吞吐量。我们可以使用以下代码创建一个公平的阻塞队列

ArrayBlockingQueue fairQueue = new ArrayBlockingQueue(1000,true);

查看ArrayBlockingQueue 的构造函数

设置ReentrantLock的锁模式为公平锁

LinkedBlockingQueue 

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

ArrayBlockingQueue 和LinkedBlockingQueue区别

1：底层实现不同

ArrayBlockingQueue 底层使用数组来维护队列，

LinkedBlockingQueue 底层使用链表来维护队列，在添加和删除队列中的元素的时候，会创建和销毁节点对象，在高并发和大量数据的时候，GC压力很大。

2：锁的方式不同

ArrayBlockingQueue 获取数据和添加数据都是使用同一个锁对象，这样添加和获取就不是一个并发的过程，不过，在ArrayBlockingQueue 中使用Condition的等待/通知机制，这样使得ArrayBlockingQueue的数据写入和获取操作已经足够轻巧，以至于引入独立的锁机制，除了给代码带来额外的复杂性外，其在性能上完全占不到任何便宜

LinkedBlockingQueue  获取数据和添加数据使用不同的锁对象。

PriorityBlockingQueue

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。继承Comparable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。

例子 学生实体类存入PriorityBlockingQueue 队列按照年龄升序排序

结果：

DelayQueue

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非常有用，可以将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DelayQueue的三个步骤

第一步：继承Delayed接口

第二步：实现getDelay(TimeUnit unit)，该方法返回当前元素还需要延时多长时间，单位是纳秒

第三步：实现compareTo方法来指定元素的顺序

例子：使用Task类给定延迟时间，继承Delayed,并重写getDelay()方法，然后重写compareTo()方法来规定先到期的Task对象先出队列

结果

SynchronousQueue

SynchronousQueue是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

SynchronousQueue queue = new SynchronousQueue(true);

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。

例子 

结果

LinkedTransferQueue

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

（1）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

（2）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

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，不知道是不是JDK的bug，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。

阻塞的实现

ReentranLock + Condition 实现队列的阻塞，ReentranLock 是锁，Condition是条件状态，通过等待/通知机制，来实现线程之间的通信。

ReentranLock + Condition的等待/通知机制和Object的wait()与notify()是类似的，通过synchronized，在锁中使用wait()与notify()达到线程之间通信，在ReentranLock 的lock()和unlock()之间通过类似的await()和signal()达到线程之间的通信。

在阻塞队列中A调用put()方法的时候，如果队列已满，则A线程挂起，等待恢复，如果B线程调用take()后，消耗一个队列元素后，会通知put()方法中挂起的A线程，因为这个时候B线程已经消耗一个元素可以在向队列中添加元素。相反如果队列一空 B线程调用tack()方法会阻塞，当A线程调用put()调用后通知tack()方法中的B线程，有元素可以获取。这就是阻塞的实现过程。

下面查看ArrayBlockingQueue 源码来分析这一实现过程

ArrayBlockingQueue的成员变量

lock 是锁   notEmpty和notFull是表示不为空和不为满的Condition状态

构造函数初始化，默认使用非公平锁

查看put()方法

enqueue()

查看tack()方法

dequeue()