一、阻塞队列 BlockingQueue
在java.util.concurrent包中，BlockingQueue很好的解决了多线程中，如何高效安全“传输”数据的问题。通过这些高效并且线程安全的队列类，为我们快速搭建高质量的多线程程序带来极大的便利。
1.1、BlockingQueue的基本原理
先来解释一下阻塞队列：
如上图：
- 1、生产线程1往阻塞队列里面添加新的数据，当阻塞队列满的时候(针对有界队列)，生产线程1将会处于阻塞状态，直到消费线程2从队列中取走一个数据；
- 2、消费线程2从阻塞队列取数据，当阻塞队列空的时候，消费线程2将会处于阻塞状态，直到生产线程把一个数据放进去。
阻塞队列的基本原理就这样，至于队列是用什么数据结构进行存储的，这里并没有规定，所以后面我们可以看到很多阻塞队列的实现。
阻塞队列的常用方法
查阅BlockingQueue总结了以下阻塞队列的方法：
1、boolean add(E e)
- 在不违反容量限制的情况下，可立即将指定元素插入此队列，成功返回true，当无可用空间时候，返回IllegalStateException异常。
2、boolean offer(E e)
- 在不违反容量限制的情况下，可立即将指定元素插入此队列，成功返回true，当无可用空间时候，返回false。
3、void put(E e)
- 直接在队列中插入元素，当无可用空间时候，阻塞等待。
4、boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
- 将给定元素在给定的时间内设置到队列中，如果设置成功返回true, 否则返回false。
5、E take()
- 获取并移除队列头部的元素，无元素时候阻塞等待。
6、E poll( long time, timeunit unit)
- 获取并移除队列头部的元素，无元素时候阻塞等待指定时间。
7、boolean remove()
- 获取并移除队列头部的元素，无元素时候会抛出NoSuchElementException异常。
8、E element()
- 不移除的情况下返回列头部的元素，无元素时候会抛出NoSuchElementException异常。
9、E peek()
- 不移除的情况下返回列头部的元素，队列为空无元素时返回null。
注意：
根据remove(Object o)方法签名可知，这个方法可以移除队列的特定对象，但是这个方法效率并不高。因为需要遍历队列匹配到特定的对象之后，再进行移除。
以上支持阻塞和超时的方法都是能够响应中断的。
1.2、BlockingQueue的实现
BlockingQueue底层也是基于AQS实现的，队列的阻塞使用ReentrantLock的Condition实现的。
下面我们来看看各个实现类的原理。以下分析我都会基于支持阻塞的put和take方法来分析。
二、LinkedBlockingDeque
LinkedBlockingDeque是一个由链表结构(双向链表)组成的双向阻塞队列，即可以从队列的两端插入和移除元素，支持FIFO和FILO。
相比于其他阻塞队列，LinkedBlockingDeque多了addFirst、addLast、peekFirst、peekLast等方法。
LinkedBlockingDeque是可选容量的，默认容量大小为Integer.MAX_VALUE。
LinkedBlockingDequeConcurrentLinkedDeque类似，都是一种双端队列的结构，只不过LinkedBlockingDeque同时也是一种阻塞队列。
注意：LinkedBlockingDeque底层利用ReentrantLock实现同步，并不像ConcurrentLinkedDeque那样采用无锁算法。
如何使用 LinkedBlockingDeque
- 1、并发场景下，需要作为双端队列使用时，如果只是作为 FIFO 队列使用，则 LinkedBlockingQueue 的性能更高。
- 2、指定队列的容量，以避免生产速率远高于消费速率时资源耗尽的问题。
使用 LinkedBlockingDeque 的风险
- 1、未指定容量的情况下，生产速率远高于消费速率时，会导致内存耗尽而 OOM。
- 2、高并发场景下，性能远低于 LinkedBlockingQueue。
- 3、由于需要维持前后节点的链接，内存消耗也高于 LinkedBlockingQueue。
2.1、内部结构
LinkedBlockingDeque内部是双链表的结构，结点Node的定义如下：
public class LinkedBlockingDeque
extends AbstractQueue
implements BlockingDeque, java.io.Serializable {
/** 双向链表节点 */
static final class Node {
/**
* 节点元素，如果节点已经被移除，则为 null
*/
E item;
/**
* 前驱结点指针.
*/
Node prev;
/**
* 后驱结点指针.
*/
Node next;
Node(E x) {
item = x;
}
}
}
2.2、成员属性
public class LinkedBlockingDeque
extends AbstractQueue
implements BlockingDeque, java.io.Serializable {
/**
* 头结点
*/
transient Node first;
/**
* 尾结点
*/
transient Node last;
/** 队列中个数 */
private transient int count;
/** 队列长度，可以使用构造注入，如未设定，默认为无界队列 */
private final int capacity;
/** 显示锁 */
final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
/** 消费队列（队列为空时，无法消费，线程阻塞） */
private final Condition notEmpty = lock.newCondition();
/** 生产队列（队列满时，无法入队，线程阻塞） */
private final Condition notFull = lock.newCondition();
}
2.3、构造函数
LinkedBlockingDeque一共三种构造器，不指定容量时，默认为Integer.MAX_VALUE：
public class LinkedBlockingDeque
extends AbstractQueue
implements BlockingDeque, java.io.Serializable {
/**
* 默认构造器.
*/
public LinkedBlockingDeque() {
this(Integer.MAX_VALUE);
}
/**
* 指定容量的构造器.
*/
public LinkedBlockingDeque(int capacity) {
if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
this.capacity = capacity;
}
/**
* 从已有集合构造队列.
*/
public LinkedBlockingDeque(Collection c) {
this(Integer.MAX_VALUE);
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock(); // Never contended, but necessary for visibility
try {
for (E e : c) {
if (e == null)
throw new NullPointerException();
if (!linkLast(new Node(e)))
throw new IllegalStateException("Deque full");
}
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
2.4、队首入队
初始：
队首插入结点node：
- 1、将目标元素 e 添加到队列头部，如果队列已满，则阻塞等待有可用空间后重试
public class LinkedBlockingDeque
extends AbstractQueue
implements BlockingDeque, java.io.Serializable {
/**
* 将目标元素 e 添加到队列头部，如果队列已满，则阻塞等待有可用空间后重试
*/
public void putFirst(E e) throws InterruptedException {
// 如果存入的值为null，直接抛出空指针异常
if (e == null) throw new NullPointerException();
Node node = new Node(e);
final ReentrantLock lock = this.lock;
//加锁
lock.lock();
try {
// 尝试在头部添加元素
while (!linkFirst(node))
// 当前线程在非满条件上等待
notFull.await();
} finally {
//释放锁
lock.unlock();
}
}
private boolean linkFirst(Node node) {
// 队列已满，则直接返回 false
if (count >= capacity)
return false;
// 读取头节点
Node f = first;
// 将旧头结点链接到目标节点之后
node.next = f;
// 写入新头节点
first = node;
// 1）当前元素为第一个添加到队列中的元素
if (last == null)
// 写入尾节点
last = node;
else
// 将旧头节点的前置节点设置为新头结点
f.prev = node;
// 递增计数
++count;
// 唤醒在非空条件上阻塞等待的线程来读取元素
notEmpty.signal();
return true;
}
}
- 2、如果队列已满，则直接返回 false，否则将目标元素 e 添加到队列头部
public class LinkedBlockingDeque
extends AbstractQueue
implements BlockingDeque, java.io.Serializable {
/**
* 如果队列已满，则直接返回 false，否则将目标元素 e 添加到队列头部
*/
public boolean offerFirst(E e) {
// 如果存入的值为null，直接抛出空指针异常
if (e == null) throw new NullPointerException();
Node node = new Node(e);
final ReentrantLock lock = this.lock;
//加锁
lock.lock();
try {
// 尝试在头部添加元素
return linkFirst(node);
} finally {
//释放锁
lock.unlock();
}
}
}
- 3、在指定的超时时间内尝试将目标元素 e 添加到队列头部，成功则返回 true
public class LinkedBlockingDeque
extends AbstractQueue
implements BlockingDeque, java.io.Serializable {
/**
* 在指定的超时时间内尝试将目标元素 e 添加到队列头部，成功则返回 true
*/
public boolean offerFirst(E e, long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
// 如果存入的值为null，直接抛出空指针异常
if (e == null) throw new NullPointerException();
Node node = new Node(e);
long nanos = unit.toNanos(timeout);
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
// 头结点添加失败
while (!linkFirst(node)) {
// 已经超时则直接返回
if (nanos <= 0)
return false;
// 当前线程在非满条件上阻塞等待，唤醒后再次尝试添加
nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
}
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
2.4、队尾入队
初始：
队尾插入结点node：
- 1、将目标元素 e 添加到队列尾部，如果队列已满，则阻塞等待有可用空间后重试
public class LinkedBlockingDeque
extends AbstractQueue
implements BlockingDeque, java.io.Serializable {
public void put(E e) throws InterruptedException {
putLast(e);
}
/**
* 将目标元素 e 添加到队列尾部，如果队列已满，则阻塞等待有可用空间后重试
*/
public void putLast(E e) throws InterruptedException {
// 如果存入的值为null，直接抛出空指针异常
if (e == null) throw new NullPointerException();
Node node = new Node(e);
final ReentrantLock lock = this.lock;
//加锁
lock.lock();
try {
// 尝试将节点链接到队列尾部
while (!linkLast(node))
// 队列已满，当前线程在非满条件上阻塞等待，被唤醒后再次尝试
notFull.await();
} finally {
//释放锁
lock.unlock();
}
}
private boolean linkLast(Node node) {
// 队列已满，则直接返回 false
if (count >= capacity)
return false;
// 读取尾节点
Node l = last;
// 将目标节点链接到尾节点之后
node.prev = l;
// 写入尾节点为新增节点
last = node;
// 1）当前元素是第一个加入队列的元素
if (first == null)
// 写入头结点
first = node;
else
// 将旧尾节点的后置节点更新为新增节点
l.next = node;
// 递增总数
++count;
// 唤醒在非空条件上等待的线程
notEmpty.signal();
return true;
}
}
- 2、如果队列已满，则直接返回 false，否则将目标元素 e 添加到队列尾部
public class LinkedBlockingDeque
extends AbstractQueue
implements BlockingDeque, java.io.Serializable {
public boolean offer(E e) {
return offerLast(e);
}
/**
* 如果队列已满，则直接返回 false，否则将目标元素 e 添加到队列尾部
*/
public boolean offerLast(E e) {
// 如果存入的值为null，直接抛出空指针异常
if (e == null) throw new NullPointerException();
Node node = new Node(e);
final ReentrantLock lock = this.lock;
//加锁
lock.lock();
try {
// 尝试将节点链接到队列尾部
return linkLast(node);
} finally {
//释放锁
lock.unlock();
}
}
}
- 3、在指定的超时时间内尝试将目标元素 e 添加到队列尾部，成功则返回 true
public class LinkedBlockingDeque
extends AbstractQueue
implements BlockingDeque, java.io.Serializable {
public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
return offerLast(e, timeout, unit);
}
/**
* 在指定的超时时间内尝试将目标元素 e 添加到队列尾部，成功则返回 true
*/
public boolean offerLast(E e, long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
// 如果存入的值为null，直接抛出空指针异常
if (e == null) throw new NullPointerException();
Node node = new Node(e);
long nanos = unit.toNanos(timeout);
final ReentrantLock lock = this.lock;
//加锁
lock.lockInterruptibly();
try {
// 尝试将目标元素 e 添加到队列尾部
while (!linkLast(node)) {
// 已经超时则直接返回 false
if (nanos <= 0)
return false;
// 当前线程在非满条件上阻塞等待，被唤醒后再次尝试
nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
}
return true;
} finally {
//释放锁
lock.unlock();
}
}
}
2.5、队首出队
初始：
删除队首结点：
- 1、移除并返回头部节点，如果队列为空，则阻塞等待有可用元素之后重试
public class LinkedBlockingDeque
extends AbstractQueue
implements BlockingDeque, java.io.Serializable {
public E take() throws InterruptedException {
return takeFirst();
}
/**
* 移除并返回头部节点，如果队列为空，则阻塞等待有可用元素之后重试
*/
public E takeFirst() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
E x;
// 尝试移除并返回头部节点
while ( (x = unlinkFirst()) == null)
// 队列为空，则阻塞等待有可用元素之后重试
notEmpty.await();
return x;
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
- 2、如果队列为空，则立即返回 null，否则移除并返回头部元素
public class LinkedBlockingDeque
extends AbstractQueue
implements BlockingDeque, java.io.Serializable {
public E poll() {
return pollFirst();
}
/**
* 如果队列为空，则立即返回 null，否则移除并返回头部元素
*/
public E pollFirst() {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
return unlinkFirst();
} finally {
lock.unlock();
}
}
/**
* 从队首删除一个元素, 失败则返回null.
*/
private E unlinkFirst() {
// 获取首节点
Node f = first;
// 首节点为null，则返回null
if (f == null)
return null;
// 获取首节点的后继节点
Node n = f.next;
// 移除first，将首节点更新为n
E item = f.item;
f.item = null;
f.next = f; // help GC
first = n;
// 移除首节点后，为空队列
if (n == null)
last = null;
else
// 将新的首节点的前驱节点设置为null
n.prev = null;
--count;
// 唤醒阻塞在notFull上的线程
notFull.signal();
return item;
}
}
- 3、在指定的超时时间内尝试移除并返回头部元素，如果已经超时，则返回 null
public class LinkedBlockingDeque
extends AbstractQueue
implements BlockingDeque, java.io.Serializable {
public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
return pollFirst(timeout, unit);
}
/**
* 在指定的超时时间内尝试移除并返回头部元素，如果已经超时，则返回 null
*/
public E pollFirst(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
long nanos = unit.toNanos(timeout);
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
E x;
// 尝试移除并返回头部元素
while ( (x = unlinkFirst()) == null) {
// 已经超时则返回 null
if (nanos <= 0)
return null;
// 当前线程在非空条件上阻塞等待，被唤醒后进行重试
nanos = notEmpty.awaitNanos(nanos);
}
// 移除成功则直接返回头部元素
return x;
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
2.6、队尾出队
初始：
删除队尾结点：
- 1、移除并返回尾部节点，如果队列为空，则阻塞等待有可用元素之后重试
public class LinkedBlockingDeque
extends AbstractQueue
implements BlockingDeque, java.io.Serializable {
/**
* 移除并返回尾部节点，如果队列为空，则阻塞等待有可用元素之后重试
*/
public E takeLast() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
E x;
// 尝试移除并返回尾部节点
while ( (x = unlinkLast()) == null)
// 队列为空，则阻塞等待有可用元素之后重试
notEmpty.await();
return x;
} finally {
lock.unlock();
}
}
/**
* 从队尾删除一个元素, 失败则返回null.
*/
private E unlinkLast() {
// 获取尾节点
Node l = last;
// 尾节点为null，则返回null
if (l == null)
return null;
// 获取尾节点的前驱节点
Node p = l.prev;
// 移除尾节点，将尾节点更新为p
E item = l.item;
l.item = null;
l.prev = l; // help GC
last = p;
// 移除尾节点后，为空队列
if (p == null)
first = null;
else
// 将新的尾节点的后继节点设置为null
p.next = null;
--count;
// 唤醒阻塞在notFull上的线程
notFull.signal();
return item;
}
}
- 2、如果队列为空，则立即返回 null，否则移除并返回尾部元素
public class LinkedBlockingDeque
extends AbstractQueue
implements BlockingDeque, java.io.Serializable {
/**
* 如果队列为空，则抛出异常，否则移除并返回尾部元素
*/
public E removeLast() {
E x = pollLast();
if (x == null) throw new NoSuchElementException();
return x;
}
/**
* 如果队列为空，则立即返回 null，否则移除并返回尾部元素
*/
public E pollLast() {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
//从队尾删除一个元素, 失败则返回null.
return unlinkLast();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
- 3、在指定的超时时间内尝试移除并返回尾部元素，如果已经超时，则返回 null
public class LinkedBlockingDeque
extends AbstractQueue
implements BlockingDeque, java.io.Serializable {
public E pollLast(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
long nanos = unit.toNanos(timeout);
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
E x;
// 尝试移除并返回尾部元素
while ( (x = unlinkLast()) == null) {
// 已经超时则返回 null
if (nanos <= 0)
return null;
// 当前线程在非空条件上阻塞等待，被唤醒后进行重试
nanos = notEmpty.awaitNanos(nanos);
}
// 移除成功则直接返回尾部元素
return x;
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
三、LinkedBlockingQueue与LinkedBlockingDeque对比
LinkedBlockingQueue
- FIFO；
- 读写分开两个ReentrantLock；
LinkedBlockingDeque
- FIFO & FILO；
- 全局一把ReentrantLock；
参考：
https://www.itzhai.com/articles/graphical-blocking-queue.html
https://www.cnblogs.com/zhuxudong/p/10079511.html
https://segmentfault.com/a/1190000016398508
https://www.cnblogs.com/snake107/p/12035580.html