javase(11)_集合框架_Queue

一、Queue

Queye接口体系图

体系分析：

Deque实现类：ArrayDeque, LinkedList(数组和链表实现双向队列)

BlockingDeque实现类：LinkedBlockingDeque(链表实现阻塞双向队列)

BlockingQueue实现类：ArrayBlockingQueue,LinkedBlockingQueue,PriorityBlockingQueue,SynchronousQueue,DelayQueue

Queue源码

public interface Queue<E> extends Collection<E> {  //jdk1.5
    boolean add(E e);
    boolean offer(E e);
    E remove();
    E poll();
    E element();
    E peek();
}

在处理元素前用于保存元素的 collection.除了基本的 Collection 操作外,队列还提供其他的插入、提取和检查操作.每个方法都存在两种形式：一种抛出异常(操作失败时),另一种返回一个特殊值(null 或 false,具体取决于操作).插入操作的后一种形式是用于专门为有容量限制的 Queue 实现设计的;在大多数实现中,插入操作不会失败.

 

Queue 接口并未定义阻塞队列的方法,而这在并发编程中是很常见的.BlockingQueue 接口定义了那些等待元素出现或等待队列中有可用空间的方法,这些方法扩展了此接口.

二、Deque

一个线性 collection,支持在两端插入和移除元素.名称 deque 是“double ended queue(双端队列)”的缩写.

此接口定义在双端队列两端访问元素的方法.提供插入、移除和检查元素的方法.每种方法都存在两种形式：一种形式在操作失败时抛出异常,另一种形式返回一个特殊值(null 或 false,具体取决于操作).插入操作的后一种形式是专为使用有容量限制的 Deque 实现设计的;在大多数实现中,插入操作不能失败.

下表总结了上述 12 种方法：

 

此接口扩展了 Queue 接口.在将双端队列用作队列时,将得到 FIFO(先进先出)行为.将元素添加到双端队列的末尾,从双端队列的开头移除元素.从 Queue 接口继承的方法完全等效于 Deque 方法,如下表所示：

双端队列也可用作 LIFO(后进先出)堆栈.应优先使用此接口而不是遗留 Stack 类.在将双端队列用作堆栈时,元素被推入双端队列的开头并从双端队列开头弹出.堆栈方法完全等效于 Deque 方法,如下表所示：

此接口提供了两种移除内部元素的方法：removeFirstOccurrence 和 removeLastOccurrence.注意,在将双端队列用作队列或堆栈时,peek 方法同样正常工作;无论哪种情况下,都从双端队列的开头抽取元素.

三、BlockingQueue

支持两个附加操作的 Queue,这两个操作是：获取元素时等待队列变为非空,以及存储元素时等待空间变得可用.

BlockingQueue 方法以四种形式出现,对于不能立即满足但可能在将来某一时刻可以满足的操作,这四种形式的处理方式不同：第一种是抛出一个异常,第二种是返回一个特殊值(null 或 false,具体取决于操作),第三种是在操作可以成功前,无限期地阻塞当前线程,第四种是在放弃前只在给定的最大时间限制内阻塞.下表中总结了这些方法：  

BlockingQueue 实现是线程安全的,实现主要用于生产者-消费者队列,以下是基于典型的生产者-使用者场景的一个用例:

class Producer implements Runnable {
    private final BlockingQueue queue;
    Producer(BlockingQueue q) { queue = q; }
    public void run() {
        try {
            while(true) { queue.put(produce()); }
        } catch (InterruptedException ex) {... handle ...}
    }
    Object produce() { ... }
}

class Consumer implements Runnable {
     private final BlockingQueue queue;
     Consumer(BlockingQueue q) { queue = q; }
     public void run() {
         try {
             while(true) { consume(queue.take()); }
         } catch (InterruptedException ex) { ... handle ...}
     }
   void consume(Object x) { ... }
}

class Setup {
    void main() {
        BlockingQueue q = new SomeQueueImplementation();
        Producer p = new Producer(q);
        Consumer c1 = new Consumer(q);
        Consumer c2 = new Consumer(q);
        new Thread(p).start();
        new Thread(c1).start();
        new Thread(c2).start();
   }
}

改写之前的消费者生产者模式

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;

class Product{
    int id;
    Product(int id){
        this.id=id;
    }
    @Override
    public String toString() {
        return super.toString();
    }
}
class Productor implements Runnable{
    BlockingQueue<Product> blockingQueue = null;
    public Productor(BlockingQueue<Product> blockingQueue ) {
        this.blockingQueue=blockingQueue;
    }
    @Override
    public void run() {
        for(int i=0;i<20;i++){
            Product p =new Product(i);
            try {
                blockingQueue.put(p);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"生成了一个"+p);
        }
    }
}
class Comsumer implements Runnable{
    BlockingQueue<Product> blockingQueue = null;
    public Comsumer(BlockingQueue<Product> blockingQueue ) {
        this.blockingQueue=blockingQueue;
    }
    @Override
    public void run() {
        Product p=null;
        for(;;){
            try {
                p = blockingQueue.take();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"消费了一个"+p);
        }
    }
}

public class TestBlockingQueue {
    public static void main(String[] args) {
        BlockingQueue<Product> b = new LinkedBlockingQueue<Product>();
        Productor p = new Productor(b);
        Comsumer c = new Comsumer(b);
        new Thread(p).start();
        new Thread(p).start();
        new Thread(c).start();
        new Thread(c).start();
    }
}

四、ArrayBlockingQueue

一个由数组支持的有界阻塞队列,构造方法必须定义确定大小的队列,此队列按 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.新元素插入到队列的尾部,队列获取操作则是从队列头部开始获得元素.

这是一个典型的“有界缓存区”,固定大小的数组在其中保持生产者插入的元素和使用者提取的元素.一旦创建了这样的缓存区,就不能再增加其容量.试图向已满队列中放入元素会导致操作受阻塞;试图从空队列中提取元素将导致类似阻塞.

ArrayBlockingQueue中的方法基本都使用了同步,例生产者消费者的底层代码：

final Object[] items;
final ReentrantLock lock;
private final Condition notEmpty;
private final Condition notFull;

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();
}

private void enqueue(E x) {
    final Object[] items = this.items;
    items[putIndex] = x;
    if (++putIndex == items.length)
        putIndex = 0;
    count++;
    notEmpty.signal();
}
private E dequeue() {
    final Object[] items = this.items;
    @SuppressWarnings("unchecked")
    E x = (E) items[takeIndex];
    items[takeIndex] = null;
    if (++takeIndex == items.length)
        takeIndex = 0;
    count--;
    if (itrs != null)
        itrs.elementDequeued();
    notFull.signal();
    return x;
}

public void put(E e) throws InterruptedException {
    checkNotNull(e);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        while (count == items.length)
            notFull.await();
        enqueue(e);
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        while (count == 0)
            notEmpty.await();
        return dequeue();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

五、LinkedBlockingQueue

一个基于已链接节点的、范围任意的 blocking queue.此队列按 FIFO(先进先出)排序元素.队列的头部 是在队列中时间最长的元素.队列的尾部 是在队列中时间最短的元素.新元素插入到队列的尾部,并且队列获取操作会获得位于队列头部的元素.链接队列的吞吐量通常要高于基于数组的队列,但是在大多数并发应用程序中,其可预知的性能要低.

可选的容量范围构造方法参数作为防止队列过度扩展的一种方法.如果未指定容量,则它等于 Integer.MAX_VALUE.除非插入节点会使队列超出容量,否则每次插入后会动态地创建链接节点.例其中一个方法：

static class Node<E> {
    E item;
    Node<E> next;
    Node(E x) { item = x; }
}

private void enqueue(Node<E> node) {
    last = last.next = node;
}

public void put(E e) throws InterruptedException {
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    int c = -1;
    Node<E> node = new Node<E>(e);
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    final AtomicInteger count = this.count;
    putLock.lockInterruptibly();
    try {
        while (count.get() == capacity) {
            notFull.await();
        }
        enqueue(node);
        c = count.getAndIncrement();
        if (c + 1 < capacity)
            notFull.signal();
    } finally {
        putLock.unlock();
    }
    if (c == 0)
        signalNotEmpty();
}

PriorityQueue一个基于优先级无界优先级队列.优先级队列的元素按照其自然顺序进行排序,或者根据构造队列时提供的Comparator进行排序,具体取决于所使用的构造方法.

PriorityBlockingQueue一个无界阻塞队列,它使用与类 PriorityQueue 相同的顺序规则,并且提供了阻塞获取操作.

LinkedBlockingDeque一个基于已链接节点的、任选范围的阻塞双端队列。

SynchronousQueue每个插入操作必须等待另一个线程的对应移除操作.

DelayQueue个无界阻塞队列,只有在延迟期满时才能从中提取元素.

注:1.以上所有队列都不能插入null元素，因为很多方法的返回值是null.

  2.队列与List接口不同,此接口不支持通过索引访问元素.队列只能从头部和尾部获取元素.