007-多线程-JUC集合-Queue-BlockingQueue接口以及ArrayBlockingQueue

0、BlockingQueue接口介绍

　　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。

　　BlockingQueue不光实现了一个完整队列所具有的基本功能，同时在多线程环境下，他还自动管理了多线间的自动等待于唤醒功能，从而使得程序员可以忽略这些细节，关注更高级的功能。 

0.1、BlockingQueue特点：

如果BlockQueue是空的，从BlockingQueue取东西的操作将会被阻断进入等待状态，直到BlockingQueue进了东西才会被唤醒。同样，如果BlockingQueue是满的，任何试图往里存东西的操作也会被阻断进入等待状态，直到BlockingQueue里有空间才会被唤醒继续操作。

• BlockingQueue 不接受 null 元素。
• BlockingQueue 可以是限定容量的。
• BlockingQueue 实现主要用于生产者-使用者队列。
• BlockingQueue 实现是线程安全的。

0.2、BlockingQueue常用方法：

• boolean add(E o): 将指定的元素添加到此队列中（如果立即可行），在成功时返回 true，其他情况则抛出 IllegalStateException。
• boolean offer(E o): 如果可能的话，将指定元素插入此队列中。成功返回true，否则返回false。
• void put(E o): 将指定元素添加到此队列中，如果没有可用空间，将一直等待（如果有必要）。
• E poll(long timeout, TimeUnit unit): 检索并移除此队列的头部，如果此队列中没有任何元素，则等待指定等待的时间（如果有必要）。
• E take(): 检索并移除此队列的头部，如果此队列不存在任何元素，则一直等待。

示例

//生产者-使用者场景的一个用例
public class BlockingQueueDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        BlockingQueue q = new ArrayBlockingQueue(2);
        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();
    }
}

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) {
            System.out.println(ex.getMessage());
        }
    }

    Object produce() {
        System.out.println("---produce---");
        return "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) {
            System.out.println(ex.getMessage());
        }
    }

    void consume(Object x) {
        System.out.println("---consume---");}
}

一、概述

　　ArrayBlockingQueue是数组实现的线程安全的有界的阻塞队列。

　　线程安全是指，ArrayBlockingQueue内部通过“互斥锁”保护竞争资源，实现了多线程对竞争资源的互斥访问。而有界，则是指ArrayBlockingQueue对应的数组是有界限的。 阻塞队列，是指多线程访问竞争资源时，当竞争资源已被某线程获取时，其它要获取该资源的线程需要阻塞等待；而且，ArrayBlockingQueue是按 FIFO（先进先出）原则对元素进行排序，元素都是从尾部插入到队列，从头部开始返回。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，队列检索操作则是从队列头部开始获得元素。

　　注意：ArrayBlockingQueue不同于ConcurrentLinkedQueue，ArrayBlockingQueue是数组实现的，并且是有界限的；而ConcurrentLinkedQueue是链表实现的，是无界限的。

　　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放入操作受阻塞；试图从空队列中检索元素将导致类似阻塞。

　　此类支持对等待的生产者线程和使用者线程进行排序的可选公平策略。默认情况下，不保证是这种排序。然而，通过将公平性 (fairness) 设置为 true 而构造的队列允许按照 FIFO 顺序访问线程。公平性通常会降低吞吐量，但也减少了可变性和避免了“不平衡性”。

1.1、原理和数据结构

　　

　　1. ArrayBlockingQueue继承于AbstractQueue，并且它实现了BlockingQueue接口。

　　2. ArrayBlockingQueue内部是通过Object[]数组保存数据的，也就是说ArrayBlockingQueue本质上是通过数组实现的。ArrayBlockingQueue的大小，即数组的容量是创建ArrayBlockingQueue时指定的。

　　3. ArrayBlockingQueue与ReentrantLock是组合关系，ArrayBlockingQueue中包含一个ReentrantLock对象(lock)。ReentrantLock是可重入的互斥锁，ArrayBlockingQueue就是根据该互斥锁实现“多线程对竞争资源的互斥访问”。而且，ReentrantLock分为公平锁和非公平锁，关于具体使用公平锁还是非公平锁，在创建ArrayBlockingQueue时可以指定；而且，ArrayBlockingQueue默认会使用非公平锁。

　　4. ArrayBlockingQueue与Condition是组合关系，ArrayBlockingQueue中包含两个Condition对象(notEmpty和notFull)。而且，Condition又依赖于ArrayBlockingQueue而存在，通过Condition可以实现对ArrayBlockingQueue的更精确的访问 -- (01)若某线程(线程A)要取数据时，数组正好为空，则该线程会执行notEmpty.await()进行等待；当其它某个线程(线程B)向数组中插入了数据之后，会调用notEmpty.signal()唤醒“notEmpty上的等待线程”。此时，线程A会被唤醒从而得以继续运行。(02)若某线程(线程H)要插入数据时，数组已满，则该线程会它执行notFull.await()进行等待；当其它某个线程(线程I)取出数据之后，会调用notFull.signal()唤醒“notFull上的等待线程”。此时，线程H就会被唤醒从而得以继续运行。

1.2、示例

/*
 *   ArrayBlockingQueue是“线程安全”的队列，而LinkedList是非线程安全的。
 *
 *   下面是“多个线程同时操作并且遍历queue”的示例
 *   (01) 当queue是ArrayBlockingQueue对象时，程序能正常运行。
 *   (02) 当queue是LinkedList对象时，程序会产生ConcurrentModificationException异常。
 *
 */
public class ArrayBlockingQueueDemo1 {

    // TODO: queue是LinkedList对象时，程序会出错。
    //private static Queue<String> queue = new LinkedList<String>();
    private static Queue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<String>(20);

    public static void main(String[] args) {

        // 同时启动两个线程对queue进行操作！
        new MyThread("ta").start();
        new MyThread("tb").start();
    }

    private static void printAll() {
        String value;
        Iterator iter = queue.iterator();
        while (iter.hasNext()) {
            value = (String) iter.next();
            System.out.print(value + ", ");
        }
        System.out.println();
    }

    private static class MyThread extends Thread {
        MyThread(String name) {
            super(name);
        }

        @Override
        public void run() {
            int i = 0;
            while (i++ < 6) {
                // “线程名” + "-" + "序号"
                String val = Thread.currentThread().getName() + i;
                queue.add(val);
                // 通过“Iterator”遍历queue。
                printAll();
            }
        }
    }
}

　　结果说明：如果将源码中的queue改成LinkedList对象时，程序会产生ConcurrentModificationException异常。

1.3、使用场景

二、源码说明

　　 

地方