concurrent包阻塞队列详解

     在编程中我们经常会使用到Queue容器类，但是这些容器类不是线程安全的，因此concurrent包中Doug Lea大师
为我们准备了对应的线程安全的容器类;每一种容器类也满足了对应的使用场景；那些本文就是梳理这些并发的Queue容
器类及使用场景；

 

1、主要容器实现类：

         ArrayBlockingQueue, DelayQueue, LinkedBlockingDeque, LinkedBlockingQueue, LinkedTransferQueue, PriorityBlockingQueue, SynchronousQueue

 

2、常用的BlockingQueue基本操作

插入操作：BlockingQueue实现的3和4

1. add(E e) ：往队列插入数据，当队列满时，插入元素时会抛出IllegalStateException异常；
2. offer(E e)：当往队列插入数据时，插入成功返回true，否则则返回false。当队列满时不会抛出异常；
3. put：当阻塞队列容量已经满时，往阻塞队列插入数据的线程会被阻塞，直至阻塞队列已经有空余的容量可供使用；
4. offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)：若阻塞队列已经满时，同样会阻塞插入数据的线程，直至阻塞队列已经有空余的地方，与put方法不同的是，该方法会有一个超时时间，若超过当前给定的超时时间，插入数据的线程会退出；

删除操作：BlockingQueue实现的3和4

1. remove(Object o)：从队列中删除数据，成功则返回true，否则为false
2. poll：删除数据，当队列为空时，返回null；
3. take()：当阻塞队列为空时，获取队头数据的线程会被阻塞；
4. poll(long timeout, TimeUnit unit)：当阻塞队列为空时，获取数据的线程会被阻塞，另外，如果被阻塞的线程超过了给定的时长，该线程会退出

查看操作：

1. element：获取队头元素，如果队列为空时则抛出NoSuchElementException异常；
2. peek：获取队头元素，如果队列为空则抛出NoSuchElementException异常

 

3、常用BlockingQueue详解

   ①ArrayBlockingQueue 是由数组实现的有界阻塞队列，队列命令元素FIFO（先进先出）；当队列容量满时放入元素操作会阻塞，当队列为null时获取一个元素也会阻塞；

   默认情况下这种队列不能保证访问队列的公平性，这是为了提升吞吐量；确保公平性可以通过在构造函数中增加true设定；

 

        ②LinkedBlockingQueue 是用链表实现的有界阻塞队列，也是FIFO特性；具有更高的吞吐量；  为了防止迅速增加耗损大量的内容，通常创建对象时会指定其初始大小，未指定则为Interger.MAX_VALUE

 

        ③PriorityBlockingQueue 是一个支持优先级的无界阻塞队列，元素采用自然顺序进行排序，可以通过自定义类实现compareTo()方法来指定元素排序规则，或者初始化时通过构造器参数Comparator指定排序规则

 

        ④SynchrousQueue 不存储任何元素的阻塞队列，只有当其他线程删除数据才能插入数据，可以通过构造器参数来指定公平性；

 

   ⑤LinkedTransferQueue 由链表数据结构构成的无界阻塞队列，实现了TransferQueue接口，相比其他阻塞队列有以下不同方法：

transfer(E e)
如果当前有线程（消费者）正在调用take()方法或者可延时的poll()方法进行消费数据时，生产者线程可以调用transfer方法将数据传递给消费者线程。如果当前没有消费者线程的话，生产者线程就会将数据插入到队尾，直到有消费者能够进行消费才能退出；

tryTransfer(E e)
tryTransfer方法如果当前有消费者线程（调用take方法或者具有超时特性的poll方法）正在消费数据的话，该方法可以将数据立即传送给消费者线程，如果当前没有消费者线程消费数据的话，就立即返回false。因此，与transfer方法相比，transfer方法是必须等到有消费者线程消费数据时，生产者线程才能够返回。而tryTransfer方法能够立即返回结果退出。

tryTransfer(E e,long timeout,imeUnit unit)

与transfer基本功能一样，只是增加了超时特性，如果数据才规定的超时时间内没有消费者进行消费的话，就返回false。

        ⑥LinkedBlockingDeque 基于链表数据结构的有界阻塞双端队列，在创建对象时为指定大小时，其默认大小为Integer.MAX_VALUE,

        ⑦DelayQueue 是一个存放实现Delayed接口的数据的无界阻塞队列，只有当数据对象的延时时间达到时才能插入到队列进行存储；  当前多有的数据都还没有达到创建时所指定的延时期，则队列没有队头，并且线程通过poll等方法获取数据元素则返回null。所谓数据延时期满时，则是通过Delayed接口的getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS)来进行判定，如果该方法返回的是小于等于0则说明该数据元素的延时期已满。

 

 

4，ArrayBlockingQueue源码解析

  使用案例：通过ArrayBlockingQueue实现消费者-生产者模式

package com.hezm.thread.day1.collections;

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;

public class BlockingDemo {

    /***
    * 利用 ArrayBlockingQueue 的添加已满会阻塞和获取已空会阻塞实现生产者-消费者模式
    *
    */
    ArrayBlockingQueue ab = new ArrayBlockingQueue(10);

    public void init() {
        new Thread(()->{
            try {
                String data = ab.take(); //阻塞方式获取数据；
                System.out.println("receive:" + data);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
    }

    public void addData(String data) {
        ab.add(data);
        try {
            System.out.println("send:" + data);
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        BlockingDemo blockingDemo = new BlockingDemo();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            blockingDemo.addData("data:" + i);
            blockingDemo.init();
        }
    }
}

     运行结果：

send:data:0
send:data:1
receive:data:0
send:data:2
receive:data:1
send:data:3
receive:data:2
send:data:4
receive:data:3
send:data:5
receive:data:4
send:data:6
receive:data:5
send:data:7
receive:data:6

 

      源码分析：

/** 
* 关键元素： notEmpty 不为null唤醒 、  notFull 不为满唤醒
*     天然满足生产者-消费者：在为null的时候消费者阻塞等待，有值之后消费者被唤醒；
*        在队列满的时候生产者阻塞等待，不满的时候唤醒生产； 
*
*add{
* offer(){
* 重入锁{ enqueue(e) 插入队列
* if (++putIndex == items.length) putIndex = 0; //当要插入的数组下标满了则重置为0；
* notEmpty.signal(); //去唤醒 take中的 notEmpty.await()
* }
* }
* }
*
*
* take{
* 重入锁中获取可中断的锁；
* notEmpty.await() 阻塞等待队列中设置进值
* dequeue() 出队列；{
* if (++takeIndex == items.length) takeIndex = 0; 获取队列的数组下标；
* itrs.elementDequeued(); // 维护迭代器中的内容；
* notFull.signal();
* }
* }
* remove() 移除
*/

//add()   往队列添加元素
   public boolean offer(E e) {
        checkNotNull(e);
        final ReentrantLock lock = this.lock;   //重入锁锁定资源
        lock.lock();
        try {
            if (count == items.length)
                return false;
            else {
                enqueue(e);    //插入队列
                return true;
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    
     private void enqueue(E x) {   //入队列
        final Object[] items = this.items;
        items[putIndex] = x;
        if (++putIndex == items.length)  //putIndex 当插入下标已满则重置为0，循环使用；
            putIndex = 0;
        count++;
        notEmpty.signal();    //非null唤醒；
    }



//take()  阻塞等待队列数据进行消费
    public E take() throws InterruptedException {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();        //重入锁-可中断的锁获取
        try {
            while (count == 0)
                notEmpty.await();    //当队列数为0时非null等待
            return dequeue();     //出队列
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }


    private E dequeue() {
        final Object[] items = this.items;
        @SuppressWarnings("unchecked")
        E x = (E) items[takeIndex];
        items[takeIndex] = null;
        if (++takeIndex == items.length)   //出队已满则重置读取下标为0；
            takeIndex = 0;
        count--;
        if (itrs != null)
            itrs.elementDequeued();
        notFull.signal();              //未满队列等待
        return x;
    }