阻塞队列 BlockingQueue

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的方法：

• 支持阻塞的插入方法：当队列满时，队列会阻塞插入元素的线程，直到队列不满；
• 支持阻塞的移除方法：当队列空时，获取元素的线程会等待队列变为非空；

阻塞队列常用于生产者和消费者的场景，生产者是向队列里添加元素的线程，消费者是从队列中取出元素的线程。阻塞队列就是生产者用来存放元素、消费者用来获取元素的容器。

以下是 BlockingQueue 的部分源码：

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

public interface BlockingQueue<E> extends Queue<E> {
    boolean add(E e);
    boolean offer(E e);
    void put(E e) throws InterruptedException;
  	boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
  
  	boolean remove(Object o);
  	E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;	
    E take() throws InterruptedException;
    
    boolean contains(Object o);
  
    ...
}

当阻塞队列不可用时，这两个附加操作提供了 4 种处理方式：

• 抛出异常：当队列满时，如果再往队列中插入元素，会抛出 IllegalStateException("Queue full") 异常。当队列空时，从队列里获取元素会抛出 NoSuchElementException 异常；
• 返回特殊值：当往队列插入元素时，会返回元素是否插入成功，成功返回 true。如果是移除方法，则从队列中取出一个元素，如果没有则返回 null；
• 一直阻塞：当阻塞队列满时，如果生产者线程往队列里 put 元素，队列会一直阻塞生产者线程，直到队列可用或者响应中断退出。当队列空时，如果消费者线程从队列里 take 元素，队列会阻塞住消费者线程，直到队列不为空；
• 超时退出：当阻塞队列满时，如果生产者线程往队列里插入元素，队列会阻塞生产者线程一段时间，如果超过了指定的时间，生产者线程就会退出；

注意：如果是无界阻塞队列，队列是不可能出现满的情况的，所以使用 put 或者 offer 方法永远不会被阻塞，而且使用 offer 方法时，该方法永远返回 true。

Java 中的阻塞队列：

• ArrayBlockingQueue：一个由数组结构组成的有界阻塞队列；
• LinkedBlockingQueue：一个由链表结构组成的有界阻塞队列；
• PriorityBlockingQueue：一个支持优先级排序的无界阻塞队列；
• DelayQueue：一个使用优先级队列实现的无界阻塞队列；
• SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列；
• LinkedTransferQueue：一个由链表结构组成的无界阻塞队列；
• LinkedBlockingDeque：一个由链表结构组成的双向阻塞队列；

ArrayBlockingQueue 是一个用数组实现的有界阻塞队列。此队列按照先进先出（FIFO）的原则对元素进行排序。默认情况下不保证线程公平地访问队列，所谓公平访问队列是指阻塞的线程，可以按照阻塞的先后顺序访问队列，即先阻塞的线程先访问队列。非公平性是对先等待的线程是非公平的，当队列可用时，阻塞的线程都可以争夺访问队列的资格，有可能先阻塞的线程最后才访问队列。为了保证公平性，通常会降低吞吐量。

LinkedBlockingQueue 是一个用链表实现的有界阻塞队列，此队列的默认和最大长度为 Integer.MAX_VALUE。此队列按照先进先出的原则对元素进行排序。

PriorityBlockingQueue 是一个支持优先级的无界阻塞队列。默认情况下元素采取自然顺序升序排列。也可以自定义类实现 compareTo() 方法来指定元素的排列顺序，或者初始化 PriorityBlockingQueue 时，指定构造参数 Comparator 来对元素进行排序。需要注意的是不能保证同优先级元素的排序。

DelayQueue 是一个支持延时获取元素的无界阻塞队列。队列使用 PriorityQueue 来实现。队列中的元素必须实现 Delay 接口，在创建元素时可以指定多久才能从队列中获取当前元素。只有在延期满时才能从队列中提取元素。

DelayQueue 非常有用，可以将 DelayQueue 运用在以下应用场景：

• 缓存系统的设计：可以用 DelayQueue 保存缓存元素的有效期，使用一个线程循环查询 DelayQueue，一旦能从 DelayQueue 中获取元素，表示缓存有效期到了；
• 定时任务调度：使用 DelayQueue 保存当天将会执行的任务和执行时间，一旦从 DelayQueue 中获取到任务就开始执行，比如 TimerQueue 就是使用 DelayQueue 实现的；

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策略访问队列。使用构造方法可以创建公平性访问 SynchronousQueue ，如果设置为 true，则等待的线程会采用前进先出的顺序访问队列。

SynchronousQueue 可以看作是一个传递的角色，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务元素，非常适合传递性场景。SynchronousQueue 的吞吐量高于 LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue。