BlockingQueue 阻塞队列详解

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一. 阻塞队列介绍

阻塞队列指的是当队列已满的时候，入队操作阻塞，而当队列为空的时候，出队操作阻塞。同时，在种类的区分的时候还区分单端和双端区别，单端就是以 Queue 为名的队列，而双端是以 Deque 为名的队列。

阻塞队列实现的接口 BlockingQueue 中有多个存储、提取以及检查的方法，有些方法虽然看起来重复，但是每个方法的作用是不一样的。

1. 队列中各种方法的解释

存储

• add()（返回值 boolean）：和 offer() 作用相同，不一样的是 add() 如果没有空间存储，也就是元素插入失败的时候会抛出异常 IllegalStateException。
• offer()（返回值 boolean）：在指定容量的队列中插入元素，如果插入成功返回 true，插入失败返回 false。更适合在指定容量的队列使用。
• put()（返回值 void）：不会返回内容，如果插入元素的时候，队列不为空，则会一直等待队列空出。

提取

• take()：提取队列中的头元素，如果元素状态不可提取，则会等到状态变为可提取状态。
• poll()：提取队列中的头元素，如果队列为空，则会返回 null。
• remove()：和 poll() 方法相同，不同的是如果队列为空，则会抛出异常
  NoSuchElementException。

检查

• peek()：检查队列头部是否有元素，不会移除元素。如果队列为空，则会返回 null。
• element()：检查队列头部是否有元素，不会移除元素。如果队列为空，则会抛出异常
  NoSuchElementException。

2. 不同类型的队列的对比

队列类型	数据结构	是否阻塞	是否有界	特点
ArrayBlockingQueue	数组	是	是	FIFO 规则排列
LinkedBlockingDeque	链表	是	自定义(没有填写容量则是无界)	双端队列
LinkedBlockingQueue	链表	是	自定义(没有填写容量则是无界)	FIFO 规则排列
DelayQueue	链表	是	否	可设置延迟时间
LinkedTransferQueue	链表	是	否	FIFO 规则排列，SynchronousQueue 的升级版
PriorityBlockingQueue	数组	是	否	可设定排序规则
SynchronousQueue	栈或队列	是	不存储元素	不存储元素

二. 阻塞队列的类型

1. ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue 是一个用数组结构实现的有界阻塞队列，队列按照 FIFO 的规则进行元素的排列，也就是说队列的头结点是等待时间最长的节点，而尾节点则是等待时间最短的节点，新节点会插入到尾节点的后面。

有界的定义是，一旦队列初始化并且指定了大小以后，之后就再也不能改变队列的大小。

在 ArrayBlockingQueue 初始化的时候，还可以选择是否选择公平策略，公平策略主要决定的是队列中维护的 ReentrantLock 的策略。在 ReentrantLock 中知道，公平策略会决定是否是等待时间最长的线程出列，如果选择了公平策略，则为了维护这个策略会牺牲一定的效率。

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();  
}

参考例子

ArrayBlockingQueue<Object> queue = new ArrayBlockingQueue<>(10);  
queue.offer("1");  
queue.offer("3");  
queue.offer("2");  
  
while (queue.peek() != null) {
     
    System.out.println(queue.poll());  
}

入列和出列

/**
* 入列
*/
private void enqueue(E x) {
   
	// 插入元素
	final Object[] items = this.items;
    items[putIndex] = x;

	// 指针指向第一个元素
    if (++putIndex == items.length)  
        putIndex = 0;  
    count++;
    notEmpty.signal();  
}

/**
* 出列
*/
private E dequeue() {
   
    // 元素出列
    E x = (E) items[takeIndex];  
    items[takeIndex] = null;
    // 指针指向第一个元素
    if (++takeIndex == items.length)  
        takeIndex = 0;  
    count--;
	// 删除迭代器队列中的元素
    if (itrs != null)  
        itrs.elementDequeued();  
    notFull.signal();  
    return x;  
}

2. DelayQueue

DelayQueue 延迟队列是一个由链表结构组成的无界阻塞队列，只有在其中元素到延迟的时间时候才能取出，在实现的时候，使用了 PriorityQueue 作为元素的存储队列。

DelayQueue 中的元素必须实现 Delayed 接口，接口中有一个方法 getDelay()，用来获取元素剩余的延迟时间，只有在延迟时间到了才能取出元素。在 ScheduledThreadPoolExecutor 中有该方法的实现例子。

public long getDelay(TimeUnit unit) {
     
    return unit.convert(time - now(), NANOSECONDS);  
}

参考例子

DelayQueue 在使用的时候需要注意，因为 DelayQueue 中维护了一个优先级队列 PriorityQueue，DelayQueue 存储或者提取元素都是从 PriorityQueue 中提取。

而 PriorityQueue 存储元素的时候，会根据自定义实现的 compareTo() 方法来进行堆排序维护元素的顺序，所以在最后打印出来的元素顺序和存储顺序不一定相同。

public class Test {
     
  
    static class Element implements Delayed {
     
  
        private Object ele;  
  
        private final long createTime;  
        private long delay;  
  
        {
     
            this.createTime = System.currentTimeMillis();  
        }  
  
        public Element(Object ele, long delay) {
     
            this.ele = ele;  
            this.delay = delay;  
        }  
  
        @Override  
        public long getDelay(TimeUnit unit) {
     
            return unit.convert(createTime + delay - System.currentTimeMillis(), TimeUnit.MILLISECONDS);  
        }  
  
        @Override  
        public int compareTo(Delayed o) {
     
            return (int) (this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS) - o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS));  
        }  
  
        @Override  
        public String toString() {
     
            return String.format("Element: ele:[%s], delay:[%d]", ele, delay);  
        }  
    }  
  
    public static void main(String[] args) {
     
        DelayQueue<Element> delayQueue = new DelayQueue<>();  
        delayQueue.offer(new Element("元素1", 1000));  
        delayQueue.offer(new Element("元素2", 4000));  
        delayQueue.offer(new Element("元素3", 3000));  
        delayQueue.offer(new Element("元素4", 2000));  
  
        while (delayQueue.size() != 0) {
     
            try {
     
                Element poll = delayQueue.take();  
                System.out.println(poll);  
            } catch (InterruptedException e) {
     
                e.printStackTrace();  
            }  
        }  
    }  
}

入列和出列

/**
* 入列
*/
public boolean offer(E e) {