23-JUC中的阻塞队列

Queue接口

队列是一种先进先出（FIFO）的数据结构，java中用Queue接口来表示队列

Queue接口中定义了6个方法

public interface Queue<E> extends Collection<E> {
     
    boolean add(e);
    boolean offer(E e);
    E remove();
    E poll();
    E element();
    E peek();
}

每个Queue方法都有两种形式：
（1）如果操作失败则抛出异常，
（2）如果操作失败，则返回特殊值（null或false，具体取决于操作），接口的常规结构如下表所示。

操作类型	抛出异常	返回特殊值
插入	add(e)	offer(e)
移除	remove()	poll()
检查	element()	peek()

Queue从Collection继承的add方法插入一个元素，除非它违反了队列的容量限制，在这种情况下它会抛出IllegalStateException；offer方法与add不同之处仅在于它通过返回false来表示插入元素失败。

remove和poll方法都移除并返回队列的头部，确切地移除哪个元素是由具体的实现来决定的，仅当队列为空时，remove和poll方法的行为才有所不同，在这些情况下，remove抛出NoSuchElementException，而poll返回null。

element和peek方法返回队列头部的元素，但不移除，它们之间的差异与remove和poll的方式完全相同，如果队列为空，则element抛出NoSuchElementException，而peek返回null。

队列一般不要插入空元素。

BlockingQueue接口

BlockingQueue位于juc中，熟称阻塞队列， 阻塞队列首先它是一个队列，继承Queue接口，是队列就会遵循先进先出（FIFO）的原则，又因为它是阻塞的，故与普通的队列有两点区别：

1. 当一个线程向队列里面添加数据时，如果队列是满的，那么将阻塞该线程，暂停添加数据
2. 当一个线程从队列里面取出数据时，如果队列是空的，那么将阻塞该线程，暂停取出数据

BlockingQueue相关方法：

操作类型	抛出异常	返回特殊值	一直阻塞	超时退出
插入	add(e)	offer(e)	put(e)	offer(e,timeuout,unit)
移除	remove()	poll()	take()	poll(timeout,unit)
检查	element()	peek()	不支持	不支持

• 3个可能会有异常的方法，add、remove、element；这3个方法不会阻塞（是说队列满或者空的情况下是否会阻塞）；队列满的情况下，add抛出异常；队列为空情况下，remove、element抛出异常
  offer、poll、peek 也不会阻塞（是说队列满或者空的情况下是否会阻塞）；队列满的情况下，offer返回false；队列为空的情况下，poll、peek返回null
• 队列满的情况下，调用put方法会导致当前线程阻塞
• 队列为空的情况下，调用take方法会导致当前线程阻塞
• offer(e,timeuout,unit)，超时之前，插入成功返回true，否者返回false
• poll(timeout,unit)，超时之前，获取到头部元素并将其移除，返回true，否者返回false

BlockingQueue常见的实现类

ArrayBlockingQueue

基于数组的阻塞队列实现，其内部维护一个定长的数组，用于存储队列元素。线程阻塞的实现是通过ReentrantLock来完成的，数据的插入与取出共用同一个锁，因此ArrayBlockingQueue并不能实现生产、消费同时进行。而且在创建ArrayBlockingQueue时，我们还可以控制对象的内部锁是否采用公平锁，默认采用非公平锁。

有界阻塞队列，内部使用数组存储元素，有2个常用构造方法：

//capacity表示容量大小，默认内部采用非公平锁
public ArrayBlockingQueue(int capacity)
//capacity：容量大小，fair：内部是否是使用公平锁
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair)

LinkedBlockingQueue

基于单向链表的阻塞队列实现，在初始化LinkedBlockingQueue的时候可以指定大小，也可以不指定，默认类似一个无限大小的容量（Integer.MAX_VALUE），不指队列容量大小也是会有风险的，一旦数据生产速度大于消费速度，系统内存将有可能被消耗殆尽，因此要谨慎操作。另外LinkedBlockingQueue中用于阻塞生产者、消费者的锁是两个（锁分离），因此生产与消费是可以同时进行的。

内部使用单向链表实现的阻塞队列，3个构造方法：

//默认构造方法，容量大小为Integer.MAX_VALUE
public LinkedBlockingQueue();
//创建指定容量大小的LinkedBlockingQueue
public LinkedBlockingQueue(int capacity);
//容量为Integer.MAX_VALUE,并将传入的集合丢入队列中
public LinkedBlockingQueue(Collection<? extends E> c);

PriorityBlockingQueue

一个支持优先级排序的无界阻塞队列，进入队列的元素会按照优先级进行排序

无界的优先级阻塞队列，内部使用数组存储数据，达到容量时，会自动进行扩容，放入的元素会按照优先级进行排序，4个构造方法：

//默认构造方法，默认初始化容量是11
public PriorityBlockingQueue();
//指定队列的初始化容量
public PriorityBlockingQueue(int initialCapacity);
//指定队列的初始化容量和放入元素的比较器
public PriorityBlockingQueue(int initialCapacity,Comparator<? super E> comparator);
//传入集合放入来初始化队列，传入的集合可以实现SortedSet接口或者PriorityQueue接口进行排序，如果没有实现这2个接口，按正常顺序放入队列
public PriorityBlockingQueue(Collection<? extends E> c);

优先级队列放入元素的时候，会进行排序，所以我们需要指定排序规则，有2种方式：

• 创建PriorityBlockingQueue指定比较器Comparator
• 放入的元素需要实现Comparable接口

上面2种方式必须选一个，如果2个都有，则走第一个规则排序。

SynchronousQueue

同步阻塞队列，SynchronousQueue没有容量，与其他BlockingQueue不同，SynchronousQueue是一个不存储元素的BlockingQueue，每一个put操作必须要等待一个take操作，否则不能继续添加元素，反之亦然

DelayQueue

DelayQueue是一个支持延时获取元素的无界阻塞队列，里面的元素全部都是“可延期”的元素，列头的元素是最先“到期”的元素，如果队列里面没有元素到期，是不能从列头获取元素的，哪怕有元素也不行，也就是说只有在延迟期到时才能够从队列中取元素

Delayed继承了Comparable接口，这个接口是用来做比较用的，DelayQueue内部使用PriorityQueue来存储数据的，PriorityQueue是一个优先级队列，丢入的数据会进行排序，排序方法调用的是Comparable接口中的方法

LinkedTransferQueue

LinkedTransferQueue是基于链表的FIFO无界阻塞队列，它出现在JDK7中，Doug Lea 大神说LinkedTransferQueue是一个聪明的队列，它是ConcurrentLinkedQueue、SynchronousQueue(公平模式下)、无界的LinkedBlockingQueues等的超集，LinkedTransferQueue包含了ConcurrentLinkedQueue、SynchronousQueue、LinkedBlockingQueues三种队列的功能

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。

LinkedTransferQueue类继承自AbstractQueue抽象类，并且实现了TransferQueue接口：

public interface TransferQueue<E> extends BlockingQueue<E> {
     
    // 如果存在一个消费者已经等待接收它，则立即传送指定的元素，否则返回false，并且不进入队列。
    boolean tryTransfer(E e);
    // 如果存在一个消费者已经等待接收它，则立即传送指定的元素，否则等待直到元素被消费者接收。
    void transfer(E e) throws InterruptedException;
    // 在上述方法的基础上设置超时时间
    boolean tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException;
    // 如果至少有一位消费者在等待，则返回true
    boolean hasWaitingConsumer();
    // 获取所有等待获取元素的消费线程数量
    int getWaitingConsumerCount();
}

上面的这些方法，transfer(E e)方法和SynchronousQueue的put方法类似，都需要等待消费者取走元素，否者一直等待。其他方法和ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue中的方法类似。

参考

第25天：掌握JUC中的阻塞队列