阻塞队列
基本概念
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
阻塞队列一共有7种，我们着重讲一下
ArrayBlockingQueue ，
LinkedBlockingQueue ，
DelayQueue，
SynchronousQueue
这四种阻塞队列
ArrayBlockingQueue
基于数组实现有界的阻塞队列(循环数组)
类的继承
public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable
主要成员变量
private static final long serialVersionUID = -817911632652898426L;
final Object[] items; //底层存储元素的数组
int takeIndex; //进行取操作时的下标
int putIndex;//进行放操作时的下标
int count;//队列中元素的数量
final ReentrantLock lock;//阻塞时用的锁
private final Condition notEmpty;//满时的condition队列
private final Condition notFull;//空时的condition队列
构造器
参数有容量和全局锁是否是公平锁
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();
}
不用确定是否是公平锁，默认是非公平锁
public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
this(capacity, false);
}
在第一个构造器的前提下，将整个集合移入阻塞队列
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair,
Collection<? extends E> c) {
this(capacity, fair);
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock(); // Lock only for visibility, not mutual exclusion
try {
int i = 0;
try {
for (E e : c) {
checkNotNull(e);
items[i++] = e;
}
} catch (ArrayIndexOutOfBoundsException ex) {
throw new IllegalArgumentException();
}
count = i;
putIndex = (i == capacity) ? 0 : i;
} finally {
lock.unlock();
}
}
主要方法
put()
public void put(E e) throws InterruptedException {
checkNotNull(e);
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == items.length)
notFull.await();
enqueue(e);
} finally {
lock.unlock();
}
}
1.首先判断添加的是否非空，是空的会抛出异常。
2.给put方法上锁
3.当集合元素数量和集合的长度相等时，调用put方法的线程将会被放入notFull队列上等待。
4.如果不相等，则enqueue()，也就是让e进入队列。
我们再看看enqueue()方法（入队方法）
private void enqueue(E x) {
// assert lock.getHoldCount() == 1;
// assert items[putIndex] == null;
final Object[] items = this.items;
items[putIndex] = x;
if (++putIndex == items.length)
putIndex = 0;
count++;
notEmpty.signal();
}
其实就是让该元素入队，并且唤醒因为集合空而等待的线程。
take()方法同理。
LinkedBlockingQueue
LinkedBlockingQueue底层是基于链表实现的，所以其基本成员变量和LinkedList差不多。
类的继承关系
public class LinkedBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable
构造器
无参构造器，默认容量为最大容量
public LinkedBlockingQueue() {
this(Integer.MAX_VALUE);
}
手动设定容量
public LinkedBlockingQueue(int capacity) {
if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
this.capacity = capacity;
last = head = new Node<E>(null);
}
将整个集合挪入队列中，默认容量同样是最大容量。
public LinkedBlockingQueue(Collection<? extends E> c) {
this(Integer.MAX_VALUE);
final ReentrantLock putLock = this.putLock;
putLock.lock(); // Never contended, but necessary for visibility
try {
int n = 0;
for (E e : c) {
if (e == null)
throw new NullPointerException();
if (n == capacity)
throw new IllegalStateException("Queue full");
enqueue(new Node<E>(e));
++n;
}
count.set(n);
} finally {
putLock.unlock();
}
}
主要成员变量
链表就一定会有节点
内部节点类
和ArrayBlockingQueue不同的是，它有两个全局锁，一个负责放元素，一个负责取元素。
static class Node<E> {
E item;
/**
* One of:
* - the real successor Node
* - this Node, meaning the successor is head.next
* - null, meaning there is no successor (this is the last node)
*/
Node<E> next;
Node(E x) { item = x; }
}
除了节点之外。
private transient Node<E> last;//尾节点
transient Node<E> head;//头节点
private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();//计算当前阻塞队列中的元素个数
private final int capacity;//容量
//获取并移除元素时使用的锁，如take, poll, etc
private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();
//notEmpty条件对象，当队列没有数据时用于挂起执行删除的线程
private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();
//添加元素时使用的锁如 put, offer, etc
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();
//notFull条件对象，当队列数据已满时用于挂起执行添加的线程
private final Condition notFull = putLock.newCondition();
主要方法
put()方法
public void put(E e) throws InterruptedException {
if (e == null) throw new NullPointerException();
// Note: convention in all put/take/etc is to preset local var
// holding count negative to indicate failure unless set.
int c = -1;
Node<E> node = new Node<E>(e);
final ReentrantLock putLock = this.putLock;
final AtomicInteger count = this.count;
putLock.lockInterruptibly();
try {
while (count.get() == capacity) {
notFull.await();
}
enqueue(node);
c = count.getAndIncrement();
if (c + 1 < capacity)
notFull.signal();
} finally {
putLock.unlock();
}
if (c == 0)
signalNotEmpty();
}
基本和ArrayBlockingQueue一样，只是锁的数量不同，导致有一些细微的区别。
代码示例
public class TestDemo16 {
private static LinkedBlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<>(10);
public static void main(String[] args) {
new Thread("put"){
@Override
public void run() {
//添加元素
for(int i=0; i<10; i++){
System.out.println("put: "+i);
try {
queue.put(i);
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}.start();
new Thread("take"){
@Override
public void run() {
//获取元素
for(int i=0; i<10; i++){
try {
System.out.println("take: "+queue.take());
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}.start();
}
}
DelayQueue
基于PriorityQueue 延时阻塞队列，DelayQueue中的元素只有当其延时时间到达，才能够去当前队列中获取到该元素，DelayQueue是一个无界队列。主要用于缓存系统的设计、定时任务系统的设计。
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
例如;
class Test implements Delayed {
private long time; //Test实例延时时间
public Test(long time, TimeUnit unit){
this.time = System.currentTimeMillis() + unit.toMillis(time);
}
@Override
public long getDelay(TimeUnit unit) {
return this.time - System.currentTimeMillis();
}
@Override
public int compareTo(Delayed o) {
long diff = this.time - ((Test)o).time;
if(diff <= 0){
return -1;
}else{
return 1;
}
}
}
DelayQueue<Test> queue = new DelayQueue<>();
queue.put(new Test(5, TimeUnit.SECONDS));
queue.put(new Test(10, TimeUnit.SECONDS));
queue.put(new Test(15, TimeUnit.SECONDS));
System.out.println("begin time: "+ LocalDateTime.now().format(DateTimeFormatter.ISO_LOCAL_DATE_TIME));
for(int i=0; i<3; i++){
try {
Test test = queue.take();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("time: "+LocalDateTime.now().format(DateTimeFormatter.ISO_LOCAL_DATE_TIME));
}
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.
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
SynchronousQueue queue=new SynchronousQueue();
LinkedBlockingQueue
new Thread("put"){
@Override
public void run() {
System.out.println("put has started");
for(int i=0;i<5;i++){
System.out.println("put after takeThread");
try {
queue.put((int)((Math.random() * 100) + 1));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println("put has ended");
}
}.start();
new Thread("take"){
@Override
public void run() {
System.out.println("take has started");
for(int i=0;i<5;i++){
try {
System.out.println("take from putThread"+queue.take());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println("put has ended");
}
}.start();
}
总结
1：ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue的区别和联系？
1）数据存储容器不一样，ArrayBlockingQueue采用数组去存储数据、LinkedBlockingQueue采用链表去存储数据。
2）ArrayBlockingQueue(循环数组)采用数组去存储数据，不会产生额外的对象实例； LinkedBlockingQueue采用链表去存储数据，在插入和删除元素只与一个节点有关，需要去生成一个额外的Node对象，这可能长时间内需要并发处理大批量的数据，对于性能和后期GC会产生影响。
3）ArrayBlockingQueue是有界的，初始化时必须要指定容量；LinkedBlockingQueue默认是无界的，Integer.MAX_VALUE, 当添加速度大于删除速度、有可能造成内存溢出。
4) ArrayBlockingQueue在读和写使用的锁是一样的，即添加操作和删除操作使用的是同一个ReentrantLock，没有实现锁分离；LinkedBlockingQueue实现了锁分离，添加的时候采用putLock、删除的时候采用takeLock,这样能提高队列的吞吐量。
2：ArrayBlockingQueue可以使用两把锁提高效率吗？
不能，主要原因是ArrayBlockingQueue底层循环数组来存储数据，LinkedBlockingQueue底层 链表来存储数据，链表队列的添加和删除，只是和某一个节点有关，为了防止head和last相互影响，就需要有一个原子性的计数器，每个添加操作先加入队列，计数器+1，这样是为了保证队列在移除的时候， 长度是大于等于计数器的，通过原子性的计数器，使得当前添加和移除互不干扰。对于循环数据来说，当我们走到最后一个位置需要返回到第一个位置，这样的操作是无法原子化，只能使用同一把锁来解决。