Java 入门指南：Java 并发编程 —— 并发容器 ArrayBlockingQueue

BlockingQueue

BlockingQueue 是Java并发包（java.util.concurrent）中提供的一个阻塞队列接口，它继承自 Queue 接口。

BlockingQueue 中的元素采用 FIFO 的原则，支持多线程环境并发访问，提供了阻塞读取和写入的操作，当前线程在队列满或空的情况下会被阻塞，直到被唤醒或超时。

常用的实现类有：

• ArrayBlockingQueue
• LinkedBlockingQueue：并发容器 LinkedBlockingQueue 详解
• PriorityBlockingQueue：并发容器 PriorityBlockingQueue 详解
• SynchronousQueue：并发容器 SynchronousQueue 详解
• LinkedBlockingDeque：并发容器 LinkedBlockingDeque 详解
  等类，它们的实现方式各有不同。

适用场景

BlockingQueue 通常用于一个线程生产对象，而另外一个线程消费这些对象的场景。

一个线程将会持续生产新对象并将其插入到队列之中，直到队列达到它所能容纳的临界点。

如果该阻塞队列到达了其临界点，生产者线程将会在往里边插入新对象时发生阻塞。它会一直处于阻塞之中，直到消费者线程从队列中拿走一个对象。

消费者线程将会一直从该阻塞队列中拿出对象。如果消费线程尝试去从一个空的队列中提取对象的话，这个消费线程将会处于阻塞之中，直到一个生产线程把一个对象丢进队列。

常用方法

1. put(E e)：将元素 e 插入到队列中，如果队列已满，则会阻塞当前线程，直到队列有空闲空间

2. offer(E e)：将元素 e 插入到队列中，如果队列已满，则返回 false。

3. offer(E element, long timeout, TimeUnit unit) 方法是 BlockingQueue：在指定的时间内将元素添加到队列中。

   • timeout：超时时间，表示在指定的时间内等待队列空间可用。如果超过指定的时间仍然无法将元素添加到队列中，将返回 false。

   • unit：超时时间的单位。

4. take()：移除并返回队列头部的元素，如果队列为空，则会阻塞当前线程，直到队列有元素

5. poll()：移除并返回队列头部的元素，如果队列为空，则返回 null

6. poll(long timeout, TimeUnit unit)：在指定的时间内从队列中检索并移除元素。返回移除的元素。如果超过指定的时间仍然没有可用的元素，将返回 null。

7. peek()：返回队列头部的元素，但不会移除。如果队列为空，则返回null

8. size()：返回队列中元素的数量

9. isEmpty()：判断队列是否为空，为空返回 true，否则返回 false

10. isFull()：判断队列是否已满，已满返回 true，否则返回 false

11. clear()：清空队列中的所有元素

行为	抛异常	返回特定值	阻塞	超时
插入	add(o)	offer(o)	put(o)	offer(o, timeout, timeunit)
移除	remove()	poll()	take()	poll(timeout, timeunit)
检查	element()	peek()

• 抛异常: 如果试图的操作无法立即执行，抛一个异常。

• 特定值: 如果试图的操作无法立即执行，返回 true / false / null)。

• 阻塞: 如果试图的操作无法立即执行，该方法调用将会发生阻塞，直到能够执行。

• 超时: 如果试图的操作无法立即执行，该方法调用将会发生阻塞，直到能够执行，但等待时间不会超过给定值。返回一个特定值以告知该操作是否成功(典型的是 true / false)。

若向 BlockingQueue 中插入 null，将会抛出 NullPointerException

死锁问题

需要注意的是，在使用 BlockingQueue 时要注意防止死锁的问题：

• 在队列满之后调用 offer() 方法插入元素会返回false，此时不能直接调用put()方法，因为在插入之前还需要获取其它资源，如果在获取资源时一直阻塞在这里，就会发生死锁。

• 为了防止死锁的问题，建议使用 offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) 和 poll(long timeout, TimeUnit unit) 带有超时时间的方法。

ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue 是一个有界阻塞队列，它是基于数组实现的。按 FIFO(先进先出)原则对元素进行排序。

队列的头部 是在队列中存在时间最长的元素。队列的尾部 是在队列中存在时间最短的元素。

ArrayBlockingQueue 适用于多生产者多消费者的场景，可以很好地控制生产者和消费者的速度，以平衡系统的负载。

特点

1. 有界队列：ArrayBlockingQueue 有固定的容量限制，队列容量在创建时就确定，无法改变。

2. 阻塞队列：当生产者向队列中添加元素的时候，如果队列已满，就会阻塞产生线程，等待队列中有空闲的位置；

   当消费者从队列中取出元素的时候，如果队列为空，则会阻塞消费者线程，等待有新的元素加入到队列中。

3. 线程安全：ArrayBlockingQueue 是线程安全的队列，多个线程可以同时操作队列，而不会出现线程冲突和数据不一致的问题。

由于 ArrayBlockingQueue 是有界的，所以使用时需要注意队列的容量。

如果生产者的速度过快，而消费者的速度跟不上，队列会满，生产者将被阻塞，直到有空闲位置；

如果消费者的速度过快，而生产者的速度跟不上，队列会空，消费者将被阻塞，直到有新的元素加入到队列中。

使用场景

1. 生产者-消费者模式：在生产者-消费者模式中，生产者生成数据并添加到队列中，而消费者从队列中取出数据并处理。ArrayBlockingQueue的阻塞特性能够自动调节生产者和消费者的速度，确保系统的稳定运行。

2. 流量控制：在需要限制系统中待处理任务或数据数量的场景中，可以使用ArrayBlockingQueue作为缓冲区，通过设置队列的最大容量来控制流量。

3. 任务调度与负载均衡：在并发系统中，ArrayBlockingQueue可以作为任务队列使用，存储待执行的任务，由线程池中的工作线程进行处理。

构造方法

1. 根据指定的容量创建一个 ArrayBlockingQueue 对象。队列的容量是固定的，不能更改。

ArrayBlockingQueue()

2. 根据指定的容量和公平性参数创建一个 ArrayBlockingQueue 对象。公平性参数决定是否按照 FIFO 的顺序来处理阻塞的线程。

   如果传入 true，则队列会按照线程等待时间的顺序进行处理

   如果传入 false，不考虑线程等待时间的先后顺序，而是尽可能地让新到达的线程获取共享资源。

ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair)

3. 根据指定的容量、公平性参数和初始元素集合创建一个 ArrayBlockingQueue 对象。初始元素集合会按照集合的迭代器顺序依次添加到队列中。

ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair, Collection<? extends E> collection)

使用示例

以下是一个简单的生产者-消费者模式示例，展示了如何使用ArrayBlockingQueue：

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;  
import java.util.concurrent.BlockingQueue;  
  
public class ProducerConsumerExample {  
    public static void main(String[] args) {  
        BlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<>(5);  
  
        Thread producer = new Thread(() -> {  
            for (int i = 0; i < 10; i++) {  
                try {  
                    System.out.println("生产者生产了数据: " + i);  
                    queue.put(i);  
                    Thread.sleep(200);  
                } catch (InterruptedException e) {  
                    e.printStackTrace();  
                }  
            }  
        });  
  
        Thread consumer = new Thread(() -> {  
            while (true) {  
                try {  
                    Integer data = queue.take();  
                    System.out.println("消费者消费了数据: " + data);  
                } catch (InterruptedException e) {  
                    e.printStackTrace();  
                }  
            }  
        });  
  
        producer.start();  
        consumer.start();  
    }  
}

工作原理：

• 生产者：不断地向队列中添加数据，每添加一个数据就休眠 200 毫秒。如果队列满了（即达到 5 个元素），put 方法会阻塞，直到队列中有空间。

• 消费者：不断地从队列中取出数据。如果队列为空，take 方法会阻塞，直到队列中有数据。

注意事项

在使用 ArrayBlockingQueue 时，应注意：

1. 选择合适的队列大小：队列的大小应根据具体的应用场景来设置，避免过大或过小导致的性能问题或资源浪费。

2. 合理使用阻塞方法：根据具体需求选择合适的阻塞方法（如put、take、offer、poll等），以控制生产者和消费者的行为。

3. 注意避免死锁：在使用ArrayBlockingQueue时，要注意避免在持有其他锁的情况下调用其阻塞方法，以防止死锁的发生。

4. 考虑公平性需求：在决定是否使用公平策略时，需要综合考虑系统的性能和公平性要求。