Java容器 - 阻塞队列(BlockingQueue)的实现原理

1. 简介 

阻塞队列 (BlockingQueue)是Java util.concurrent包下重要的数据结构，BlockingQueue提供了线程安全的队列访问方式：当阻塞队列进行插入数据时，如果队列已满，线程将会阻塞等待直到队列非满；从阻塞队列取数据时，如果队列已空，线程将会阻塞等待直到队列非空。并发包下很多高级同步类的实现都是基于BlockingQueue实现的。

2. 操作方法

BlockingQueue 具有 4 组不同的方法用于插入、移除以及对队列中的元素进行检查。如果请求的操作不能得到立即执行的话，每个方法的表现也不同。这些方法如下：

四组不同的行为方式解释：

抛异常：如果试图的操作无法立即执行，抛一个异常。
特定值：如果试图的操作无法立即执行，返回一个特定的值(常常是 true / false)。
阻塞：如果试图的操作无法立即执行，该方法调用将会发生阻塞，直到能够执行。
超时：如果试图的操作无法立即执行，该方法调用将会发生阻塞，直到能够执行，但等待时间不会超过给定值。返回一个特定值以告知该操作是否成功(典型的是true / false)。

无法向一个 BlockingQueue 中插入 null。如果你试图插入 null，BlockingQueue 将会抛出一个 NullPointerException。

可以访问到 BlockingQueue 中的所有元素，而不仅仅是开始和结束的元素。比如说，你将一个对象放入队列之中以等待处理，但你的应用想要将其取消掉。那么你可以调用诸如 remove(o) 方法来将队列之中的特定对象进行移除。但是这么干效率并不高(译者注：基于队列的数据结构，获取除开始或结束位置的其他对象的效率不会太高)，因此你尽量不要用这一类的方法，除非你确实不得不那么做。

3. BlockingQueue 的实现类

ArrayBlockingQueue：ArrayBlockingQueue 是一个有界的阻塞队列，其内部实现是将对象放到一个数组里。有界也就意味着，它不能够存储无限多数量的元素。它有一个同一时间能够存储元素数量的上限。你可以在对其初始化的时候设定这个上限，但之后就无法对这个上限进行修改了(译者注：因为它是基于数组实现的，也就具有数组的特性：一旦初始化，大小就无法修改)。

DelayQueue：DelayQueue 对元素进行持有直到一个特定的延迟到期。注入其中的元素必须实现 java.util.concurrent.Delayed 接口。

LinkedBlockingQueue：LinkedBlockingQueue 内部以一个链式结构(链接节点)对其元素进行存储。如果需要的话，这一链式结构可以选择一个上限。如果没有定义上限，将使用 Integer.MAX_VALUE 作为上限。

PriorityBlockingQueue：PriorityBlockingQueue 是一个无界的并发队列。它使用了和类 java.util.PriorityQueue 一样的排序规则。你无法向这个队列中插入 null 值。所有插入到 PriorityBlockingQueue 的元素必须实现 java.lang.Comparable 接口。因此该队列中元素的排序就取决于你自己的 Comparable 实现。

SynchronousQueue：SynchronousQueue 是一个特殊的队列，它的内部同时只能够容纳单个元素。如果该队列已有一元素的话，试图向队列中插入一个新元素的线程将会阻塞，直到另一个线程将该元素从队列中抽走。同样，如果该队列为空，试图向队列中抽取一个元素的线程将会阻塞，直到另一个线程向队列中插入了一条新的元素。据此，把这个类称作一个队列显然是夸大其词了。它更多像是一个汇合点。

4. 使用例子

阻塞队列的最长使用的例子就是生产者消费者模式,也是各种实现生产者消费者模式方式中首选的方式。使用者不用关心什么阻塞生产，什么时候阻塞消费，使用非常方便，代码如下：

package MyThread;

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class BlockingQueueTest {
    //生产者
    public static class Producer implements Runnable{
        private final BlockingQueue blockingQueue;
        private volatile boolean flag;
        private Random random;

        public Producer(BlockingQueue blockingQueue) {
            this.blockingQueue = blockingQueue;
            flag=false;
            random=new Random();

        }
        public void run() {
            while(!flag){
                int info=random.nextInt(100);
                try {
                    blockingQueue.put(info);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" produce "+info);
                    Thread.sleep(50);
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }               
            }
        }
        public void shutDown(){
            flag=true;
        }
    }
    //消费者
    public static class Consumer implements Runnable{
        private final BlockingQueue blockingQueue;
        private volatile boolean flag;
        public Consumer(BlockingQueue blockingQueue) {
            this.blockingQueue = blockingQueue;
        }
        public void run() {
            while(!flag){
                int info;
                try {
                    info = blockingQueue.take();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" consumer "+info);
                    Thread.sleep(50);
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }               
            }
        }
        public void shutDown(){
            flag=true;
        }
    }
    public static void main(String[] args){
        BlockingQueue blockingQueue = new LinkedBlockingQueue(10);
        Producer producer=new Producer(blockingQueue);
        Consumer consumer=new Consumer(blockingQueue);
        //创建5个生产者，5个消费者
        for(int i=0;i<10;i++){
            if(i<5){
                new Thread(producer,"producer"+i).start();
            }else{
                new Thread(consumer,"consumer"+(i-5)).start();
            }
        }

        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
        producer.shutDown();
        consumer.shutDown();

    }
}

阻塞队列原理：

其实阻塞队列实现阻塞同步的方式很简单，使用的就是是lock锁的多条件（condition）阻塞控制。使用BlockingQueue封装了根据条件阻塞线程的过程，而我们就不用关心繁琐的await/signal操作了。

下面是Jdk 1.7中ArrayBlockingQueue部分代码：

public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {

        if (capacity <= 0)
            throw new IllegalArgumentException();
        //创建数组    
        this.items = new Object[capacity];
        //创建锁和阻塞条件
        lock = new ReentrantLock(fair);   
        notEmpty = lock.newCondition();
        notFull =  lock.newCondition();
    }
//添加元素的方法
public void put(E e) throws InterruptedException {
        checkNotNull(e);
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == items.length)
                notFull.await();
            //如果队列不满就入队
            enqueue(e);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
 //入队的方法
 private void enqueue(E x) {
        final Object[] items = this.items;
        items[putIndex] = x;
        if (++putIndex == items.length)
            putIndex = 0;
        count++;
        notEmpty.signal();
    }
 //移除元素的方法
 public E take() throws InterruptedException {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == 0)
                notEmpty.await();
            return dequeue();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
 //出队的方法
 private E dequeue() {
        final Object[] items = this.items;
        @SuppressWarnings("unchecked")
        E x = (E) items[takeIndex];
        items[takeIndex] = null;
        if (++takeIndex == items.length)
            takeIndex = 0;
        count--;
        if (itrs != null)
            itrs.elementDequeued();
        notFull.signal();
        return x;

双端阻塞队列（BlockingDeque）

concurrent包下还提供双端阻塞队列（BlockingDeque），和BlockingQueue是类似的，只不过BlockingDeque提供从任意一端插入或者抽取元素的队列。