Java并发编程-BlockingQueue阻塞队列

1.BlockingQueue介绍

1.1.引言：

阻塞虽然是不好的，但是我们有时候不得不阻塞，比如说一家餐厅人满了，店主当然不希望即将过来的这些客人全部都走，而是希望它们留下来继续排队等候。对于阻塞的内容，线程和资源的调度管理能力，这样就出了一个接口，就叫阻塞队列。在不得不阻塞，必须要阻塞的时候，如何管理好被阻塞的资源和线程，这就是阻塞队列。

队列的特性：先进先出，插入元素在队尾，删除元素在队头。

1.2.阻塞队列介绍：

阻塞：必须要阻塞/不得不阻塞
阻塞队列是一个队列，在数据结构中中起的作用如下图：

线程1往阻塞队列里添加元素，线程2从阻塞队列里移除元素。
阻塞队列，我们可以简单的理解为海底捞火锅店的候客区，如图绿框框就是我们的阻塞队列，即我们所理解的海底捞火锅店的候客区，里面等着的就是一桌一桌的食客。如果候客区也满了，还加不加人？
当队列是空的，从队列中获取元素的操作将会被阻塞。
当队列是满的，从队列中添加元素的操作将会被阻塞。
试图从空的队列中获取元素的线程将会被阻塞，直到其他线程往空的队列插入新的元素。
对于上面阻塞的问题，我们又可以举一个例子，假如说Thread1是做蛋糕的师傅，Thread2是买蛋糕的顾客，而BlockingQueue是食品柜。当顾客来了，发现食品柜是空的，想消费蛋糕的操作将会被阻塞。如果蛋糕买的人少了，食品柜中的蛋糕满了，此时生产蛋糕的操作将会被阻塞。

**试图从空的队列中获取元素的线程将会被阻塞，直到其他线程往空的队列插入新的元素。**简单的说，就是空的时候不能消费，满的时候不能增加。
试图向已满的队列中添加新元素的线程将会被阻塞，直到其它线程从队列中移除一个或多个元素或者完全清空，使队列变得空闲起来并后续新增。

1.3.阻塞队列的用处：

在多线程领域：所谓阻塞，在某些情况下会挂起线程（即阻塞），一旦条件满足，被挂起的线程又会自动被唤起。
wait就是一种阻塞，notify是一种唤醒，await是一种阻塞， signal是唤醒。

为什么需要 BlockingQueue？
好处是我们不需要关心什么时候需要阻塞线程，什么时候需要唤醒线程，因为这一切BlockingQueue 都给你一手包办了。在 concurrent 包发布以前，在多线程环境下，我们每个程序员都必须自己去控制这些细节，尤其还要兼顾效率和线程安全，而这会给我们的程序带来不小的复杂度。
也就是不用手写wait和notify了。只要柜子里蛋糕满了，生产线程就会阻塞，只要柜子里没有蛋糕了，消费线程就会被阻塞。

1.4.接口架构图

BlockingQueue所有已知实现类：
ArrayBlockingQueue ， DelayQueue ， LinkedBlockingDeque ， LinkedBlockingQueue ， LinkedTransferQueue ， PriorityBlockingQueue ， SynchronousQueue

在我们以前学习集合的过程中，Collection接口有两个常用的接口List接口和Set接口，现在又有了阻塞队列接口BlockingQueue

ArrayBlockingQueue：由数组结构组成的有界阻塞队列
LinkedBlockingQueue:由链表结构组成的有界（但大小默认值为integer.MAX_VALUE)阻塞队列
PriorityBlockingQueue：支持优先级排序的无界阻塞队列
DelayQueue：使用优先级队列实现的延迟无界阻塞队列
SynchronousQueue：不存储元素的阻塞队列，也即单个元素的队列
LinkedTransferQueue：由链表结构组成的无界阻塞队列
LinkedBlockingDeque：由链表结构组成的双向阻塞队列

2.BlockingQueue核心方法

核心方法如下：

方法类型	抛出异常	特殊值	阻塞	超时
插入	add(e)	offer(e)	put(e)	offer(e,time,unit)
移除	remove()	poll()	take()	put(time,unit)
移除	element()	peek()	不可用	不可用

共同点：插入成功或者删除成功都返回true（除了put和take）,区别在于处理异常情况

（1）抛出异常的方法
当阻塞队列满时，再往队列里add元素会抛出IllegalStateException：Queue full；
当阻塞队列空时，再从队列里remove移除元素会抛NoSuchElementException。

（2）返回特殊值（boolean值）的方法
插入成功，返回true；插入失败，返回false；
删除成功返回出队列元素；删除失败返回null；

（3）阻塞的方法（添加无返回值）
当阻塞队列满时，生产者线程继续往队列里put元素，队列会一直阻塞生产线程直到put数据or响应中断退出。
当阻塞队列空时，消费者线程试图take队列里的元素，队列会一直阻塞消费者线程直到队列有可用元素。

（4）超时的方法
当向阻塞队列offer元素时候，时间超过了设定的值，就会出现超时中断；
当向阻塞队列poll元素时候，时间超过了设定的值，就会出现超时中断。

3.BlockingQueue案例测试

3.1.抛出异常的方法代码验证：

• add方法抛出异常

	public static void main(String[] args) {
     
		//ArrayBlockingQueue是由数组结构组成的有界阻塞队列，所以要加参数
		BlockingQueue<String> blockingQueue=new ArrayBlockingQueue<>(3);
		System.out.println(blockingQueue.add("a"));
		System.out.println(blockingQueue.add("b"));
		System.out.println(blockingQueue.add("c"));
		
//		System.out.println(blockingQueue.add("d"));
	}

public static void main(String[] args) {
     
		//ArrayBlockingQueue是由数组结构组成的有界阻塞队列，所以要加参数
		BlockingQueue<String> blockingQueue=new ArrayBlockingQueue<>(3);
		System.out.println(blockingQueue.add("a"));
		System.out.println(blockingQueue.add("b"));
		System.out.println(blockingQueue.add("c"));	
		System.out.println(blockingQueue.add("d"));
	}

当阻塞队列满时，再往队列里add元素会抛出IllegalStateException：Queue full；

• remove方法抛出异常

public static void main(String[] args) {
     
		//ArrayBlockingQueue是由数组结构组成的有界阻塞队列，所以要加参数
		BlockingQueue<String> blockingQueue=new ArrayBlockingQueue<>(3);
		System.out.println(blockingQueue.add("a"));
		System.out.println(blockingQueue.add("b"));
		System.out.println(blockingQueue.add("c"));	
		//remove会返回被移除的对象
		System.out.println(blockingQueue.remove());
		System.out.println(blockingQueue.remove());
		System.out.println(blockingQueue.remove());
		System.out.println(blockingQueue.remove());
}

当阻塞队列空时，再从队列里remove移除元素会抛NoSuchElementException。

• element检查方法：（底层调用了 peek()方法）

public static void main(String[] args) {
     
		//ArrayBlockingQueue是由数组结构组成的有界阻塞队列，所以要加参数
		BlockingQueue<String> blockingQueue=new ArrayBlockingQueue<>(3);
		System.out.println(blockingQueue.add("a"));
		System.out.println(blockingQueue.add("a"));
		//element就是查看一下队首元素的值
		System.out.println(blockingQueue.element());
	}

3.2.返回特殊值的方法（boolean值返回）

• 阻塞队列offer方法的使用

public static void main(String[] args) {
     
		BlockingQueue<String> blockingQueue=new ArrayBlockingQueue<>(3);
		System.out.println(blockingQueue.offer("a"));
		System.out.println(blockingQueue.offer("b"));
		System.out.println(blockingQueue.offer("c"));
		System.out.println(blockingQueue.offer("d"));
}

插入成功，返回true；插入失败，返回false；

• 阻塞队列poll方法的使用

public static void main(String[] args) {
     
		BlockingQueue<String> blockingQueue=new ArrayBlockingQueue<>(3);
		System.out.println(blockingQueue.offer("a"));
		System.out.println(blockingQueue.offer("b"));
		System.out.println(blockingQueue.offer("c"));
		System.out.println(blockingQueue.poll());
		System.out.println(blockingQueue.poll());
		System.out.println(blockingQueue.poll());
		System.out.println(blockingQueue.poll());
}

删除成功返回出队列元素；删除失败返回null；

3.3.阻塞队列的方法

• 阻塞队列put方法使用

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
     
		BlockingQueue<String> blockingQueue=new ArrayBlockingQueue<>(3);
		blockingQueue.put("a");
		blockingQueue.put("a");
		blockingQueue.put("a");
		blockingQueue.put("a");
	}

没有报错，当阻塞队列满时，生产者线程继续往队列里put元素，队列会一直阻塞生产线程直到put数据or响应中断退出。，即腾出空位置为止，能塞进去。与semaphore争车位类似

• 阻塞队列take方法使用

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
     
		BlockingQueue<String> blockingQueue=new ArrayBlockingQueue<>(3);
		blockingQueue.put("a");
		blockingQueue.put("a");
		blockingQueue.put("a");
		System.out.println(blockingQueue.take());
		System.out.println(blockingQueue.take());
		System.out.println(blockingQueue.take());
		System.out.println(blockingQueue.take());
	}

当阻塞队列空时，消费者线程试图take队列里的元素，队列会一直阻塞消费者线程直到队列有可用元素。

3.4.超时中断的方法

• 阻塞队列offer超时中断演示

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
     
		BlockingQueue<String> blockingQueue=new ArrayBlockingQueue<>(3);
		System.out.println(blockingQueue.offer("a",3L,TimeUnit.SECONDS));
		System.out.println(blockingQueue.offer("a",3L,TimeUnit.SECONDS));
		System.out.println(blockingQueue.offer("a",3L,TimeUnit.SECONDS));
		System.out.println(blockingQueue.offer("a",3L,TimeUnit.SECONDS));
	}

程序执行结果如下：当往阻塞队列添加第六个元素的时候，队列添加不进去，3秒后会超时中断。

当向阻塞队列offer元素时候，时间超过了设定的值，就会出现超时中断；

• 阻塞队列poll超时中断演示

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
     
		BlockingQueue<String> blockingQueue=new ArrayBlockingQueue<>(3);
		System.out.println(blockingQueue.offer("a",3L,TimeUnit.SECONDS));
		System.out.println(blockingQueue.offer("a",3L,TimeUnit.SECONDS));
		System.out.println(blockingQueue.offer("a",3L,TimeUnit.SECONDS));
		System.out.println(blockingQueue.poll(3L,TimeUnit.SECONDS));
		System.out.println(blockingQueue.poll(3L,TimeUnit.SECONDS));
		System.out.println(blockingQueue.poll(3L,TimeUnit.SECONDS));
		System.out.println(blockingQueue.poll(3L,TimeUnit.SECONDS));
	}

当向阻塞队列poll元素时候，时间超过了设定的值，就会出现超时中断。