PriorityBlockingQueue
1、带优先级的无界阻塞队列，每次出队列都返回优先级最高或者最低的元素
2、内部维护最小堆，使用平衡二叉树实现，直接遍历队列元素不保证有序。
3、默认使用对象的compareTo方法比较，支持自定义comparators
类图结构
PriorityBlockingQueue使用数组用来存储队列中的元素，元素在队列中根据坐标index呈现平衡二叉树的分布，以第i个元素为例，它的左孩子为2i+1，右孩子为2i+2，在类中常用位运算计算某个节点x的父节点（公式为: (x-1)>>1）。
在实际情况中，由于内部维护最小堆，使用平衡二叉树实现，直接遍历队列元素不保证有序。如下图情况，在数组中元素并非严格按序存放，需要按右侧逻辑结构理解最小堆的思想。
源码分析
添加元素
由上图可知添加元素有add、put和offer方法。
public void put(E e) {
offer(e); // never need to block
}
public boolean add(E e) {
return offer(e);
}
public boolean offer(E e) {
// (1) 判断元素是否为null，null抛出异常
if (e == null)
throw new NullPointerException();
// (2) 获取独占锁，注意一个队列共用一个独占锁
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
int n, cap;
Object[] array;
// （3）如果容量已经达到峰值，需要扩容
while ((n = size) >= (cap = (array = queue).length))
tryGrow(array, cap);
try {
Comparator cmp = comparator;
// （4）根据是否有自定义比较器选择方法
if (cmp == null)
siftUpComparable(n, e, array);
else
siftUpUsingComparator(n, e, array, cmp);
size = n + 1;
// （5）添加元素成功，唤醒notEmpty等待的消费线程
notEmpty.signal();
} finally {
// (6) 释放独占锁
lock.unlock();
}
return true;
}
而从源码易知put、add方法内部调用offer实现。所以添加元素的源码重点在于offer方法。从图中容易发现，与ArrayBlockingQueue不同，虽然同样使用数组作为存储结构，但是PriorityBlockingQueue永远从“结尾“添加元素（但不一定放在结尾），从前面出队列（出队列必取第一个元素）。
tryGrow(Object[] array, int oldCap)
private void tryGrow(Object[] array, int oldCap) {
// （7）释放独占锁
lock.unlock(); // must release and then re-acquire main lock
Object[] newArray = null;
// （8）申请扩容锁 CAS乐观锁
if (allocationSpinLock == 0 &&
UNSAFE.compareAndSwapInt(this, allocationSpinLockOffset,
0, 1)) {
try {
// （9）扩容容量算法
int newCap = oldCap + ((oldCap < 64) ?
(oldCap + 2) : // grow faster if small
(oldCap >> 1));
if (newCap - MAX_ARRAY_SIZE > 0) { // possible overflow
int minCap = oldCap + 1;
if (minCap < 0 || minCap > MAX_ARRAY_SIZE)
throw new OutOfMemoryError();
newCap = MAX_ARRAY_SIZE;
}
if (newCap > oldCap && queue == array)
newArray = new Object[newCap];
} finally {
allocationSpinLock = 0;
}
}
// （10）
if (newArray == null) // back off if another thread is allocating
Thread.yield();
lock.lock();
if (newArray != null && queue == array) {
queue = newArray;
System.arraycopy(array, 0, newArray, 0, oldCap);
}
// （11）
}
我们发现一进到扩容方法后，（7）处就调用了lock.unlock()释放独占锁，这样的好处是，在进行扩容时，其它线程可以获取到独占锁进行入队列、出队列的操作（因为出队列后，实际容量已经小于最大值，所以存在入队列的可能，但不妨碍之前扩容的线程继续扩容）。由于采取了CAS乐观锁的机制，也可以保证某时刻只有一个线程在进行扩容操作。而其它线程由于竞争失败，不断的自旋（自旋路线为（8）->（10）->（11）->（3）->（8））。
在（10）处，竞争扩容锁失败的线程，会调用Thread.yield();尝试让出CPU时间片，不一定有效。
siftUpComparable(int k, T x, Object[] array)
源码注释：该方法用于将元素x尝试插入到队列k中，如果发现当前位置的父节点值大于元素x，则将元素x往上层提，直到x大于等于它的父节点，或者成为root根节点。
private static void siftUpComparable(int k, T x, Object[] array) {
// （0） key为目标元素的对应比较器
Comparable key = (Comparable) x;
while (k > 0) {
//（1）获取父节点位置和父节点元素的值
int parent = (k - 1) >>> 1;
Object e = array[parent];
// （2）如果x的值更大，说明找到了合适的位置
if (key.compareTo((T) e) >= 0)
break;
array[k] = e;
k = parent;
}
array[k] = key;
}
用一个容易理解的例子来尝试理解这段代码，当一个年轻人来到公司，一开始处于组织架构树的末端，但是这个年轻人不讲武德，就找到所属小组的老领导偷袭一下，偷袭输了（key.compareTo((T) e) >= 0），老老实实呆在原位。如果偷袭成功（key.compareTo((T) e) < 0），让这个老领导担任年轻人原来的位置 array[k] = e;，然后新人取缔位置k = parent;继续偷袭，偷袭它的老领导的领导（k = parent， int parent = (k - 1) >>> 1，不断往上找父节点），以此类推，直到这个年轻人偷袭成功所有人，成为了大BOSS（root节点），或者被某个领导防御成功了（key.compareTo((T) e) >= 0），就在偷袭到的最高位置坐下。
siftUpUsingComparator
siftUpUsingComparator方法相比siftUpComparable只是比较器采用了自定义比较器，其它没有区别
private static void siftUpUsingComparator(int k, T x, Object[] array,
Comparator cmp) {
while (k > 0) {
int parent = (k - 1) >>> 1;
Object e = array[parent];
if (cmp.compare(x, (T) e) >= 0)
break;
array[k] = e;
k = parent;
}
array[k] = x;
}
移除元素
同样的从前面的图中我们可以看到移除元素的方法为poll、peek（不会移除）、take方法。
peek
由前文可知，PriorityBlockingQueue由一个独占锁维护，在peek调用之前会先获取独占锁。确认队列中是否有元素，有则返回index为0的元素，否则返回null。peek方法不会移除元素，只做查询。
public E peek() {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
return (size == 0) ? null : (E) queue[0];
} finally {
lock.unlock();
}
}
poll
public E poll() {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
return dequeue();
} finally {
lock.unlock();
}
}
- dequeue
private E dequeue() {
int n = size - 1;
if (n < 0)
return null;
else {
Object[] array = queue;
E result = (E) array[0];
E x = (E) array[n];
array[n] = null;
Comparator cmp = comparator;
if (cmp == null)
siftDownComparable(0, x, array, n);
else
siftDownUsingComparator(0, x, array, n, cmp);
size = n;
return result;
}
}
- siftDownComparable
核心思想是从根节点开始总左右孩子中找到一个最小的节点，成为新的根节点，
Object c = array[child]; // 左孩子
int right = child + 1; // 右孩子索引
private static void siftDownComparable(int k, T x, Object[] array,
int n) {
if (n > 0) {
Comparable key = (Comparable)x;
int half = n >>> 1; // loop while a non-leaf
// 如果k>=half已经超出到x原有的位置，没有必要
while (k < half) {
int child = (k << 1) + 1; // assume left child is least
Object c = array[child]; // 左孩子，c默认为左孩子节点
int right = child + 1; // 右孩子索引
// 右孩子索引在有效范围内，即是否存在 && 右孩子更小
if (right < n &&
((Comparable) c).compareTo((T) array[right]) > 0)
// c = 右孩子节点
c = array[child = right];
// 如果x小于等于于左(右)孩子，x成为根节点，这样变动最小
// 如果x大于左(右)孩子，让左(右)孩子成为根节点，x取代他们原来的位置
if (key.compareTo((T) c) <= 0)
break;
array[k] = c;
k = child;
}
array[k] = key;
}
}
take
take方法获取独占锁支持中断，
如果队列中没有元素，等待唤醒。 while循环避免虚假唤醒
public E take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
E result;
try {
// 队列中没有元素，等待唤醒。 while循环避免虚假唤醒
while ( (result = dequeue()) == null)
notEmpty.await();
} finally {
lock.unlock();
}
return result;
}
参考
《Java并发编程实战》