Java中的阻塞队列

Java中的阻塞队列

阻塞队列(BlockingQueue)是一个支持两个附加操作的队列。这两个附加操作支持阻塞地插入和移除方法。

1）支持阻塞地插入方法：意思是当队列满时，队列会阻塞插入元素的线程，直到队列不满。

2）支持阻塞地移除方法：：意思是在队列为空时，获取元素的线程会等待队列变为非空。

阻塞队列常用于生产者和消费者的场景，生产者是向队列里添加元素的线程，消费者是从队列里取元素的线程。阻塞队列就是生产者用来存放元素、消费者用来获取元素的容器。

插入和移除操作的4种处理方式

方法/处理方式	抛出异常	返回特殊值	一直阻塞	超时退出
插入方法	add(e)	offer(e)	put(e)	offer(e,time,unit)
移除方法	remove()	poll()	take()	poll(time,unit)
检查方法	element()	peek()	不可用	不可用

• 抛出异常：当队列满时，如果再往队列里插入元素，会抛出IllegalStateException(“Queue full”)异常。当队列空时，从队列里获取元素会抛出NoSuchElementException异常。
• 返回特殊值：当往队列插入元素时，会返回元素是否插入成功，成功返回true。如果是移除方法则是从队列里取出一个元素，如果没有则返回null。
• 一直阻塞：当阻塞队列满时，如果生产者线程往队列里put元素，队列会一直阻塞生产者线程，直到队列可用或者响应中断退出。当队列空时，如果消费者线程从队列里take元素，队列会阻塞住消费者线程，直到队列不为空。
• 超时退出：当阻塞队列满时，如果生产者线程往队列里插入元素，队列会阻塞生产者线程一段时间，如果超过了指定的时间，生产者线程就会退出。

阻塞队列

JDK7提供了7个阻塞队列

• ArrayBlockingQueue：一个由数组结构组成的有界阻塞队列。
• LinkedBlockingQueue：一个由链表结构组成的有界阻塞队列。
• PriorityBlockingQueue：一个支持优先级排序的无界阻塞队列。
• DelayQueue：一个使用优先级队列实现的无界阻塞队列。
• SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列。
• LinkedTransferQueue：一个由链表结构组成的无界阻塞队列。
• LinkedBlockingDeque：一个由链表结构组成的双向阻塞队列。

1.ArrayBlockingQueue

ArrayBlocking是一个用数组实 现的有界阻塞队列。此队列按照先进先出(FIFO)的原则对元素进行排序。默认情况下不保证线程公平的访问队列(公平与非公平就是排队与不排队)

创建一个公平的阻塞队列。

ArrayBlockingQueue fairQueue = new ArrayBlockingQueue(1000,true);

访问者的公平性是使用可重入锁实现的，代码如下：

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();
}         

2. LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue是一个用链表实现的有界阻塞队列。此队列的默认和最大长度为Integer.MAX_VALUE。此队列按照先进先出的原则对元素进行排序。

3. PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是一个支持优先级的无界阻塞队列。默认情况下采取自然顺序升序排列。也可以自定义类实现compareTo()方法来指定元素排序规则，或者初始化PriorityBlockingQueue时，指定构造参数Comparator来对元素进行排序。需要注意的是不能保证同优先级元素的顺序。

4. DelayQueue

DelayQueue是一个支持延时获取元素的无界阻塞队列。队列使用PriorityQueue来实现。队列中的元素必须实现Delayed接口，在创建元素时可以指定多久才能从队列中获取当前元素。只有在延迟期满时才能从队列中提取元素。

 DelayQueue非常有用，可以将DelayQueue运用在以下场景：

• 缓存系统的设计：可以用DelayQueue保存缓存元素的有效期，使用一个线程循环查询DelayQueue，一旦能从DelayQueue中获取元素时，表示缓存有效期到了。
• 定时任务调度：使用DelayQueue保存当天将会执行的任务和执行时间，一旦从DelayQueue中获取到任务就开始执行，比如TimerQueue就是使用DelayQueue实现的。

（1）如何实现Delayed接口

 DelayQueue队列的元素必须实现Delayed接口。我们可以参考ScheduledThreadPoolExecutor里ScheduledFutureTask类的实现，一共有三步。

第一步：在对象创建的时候，初始化基本数据。使用time记录当时对象延迟到什么时候可以使用，使用sequenceNumber来标识元素在队列来标识元素在队列中的先后顺序。代码如下：

private static final AtomicLong sequencer = new AtomicLong(0);

ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns, long period){
     super(r, result);
     this.time = ns;
     this.period = period;
     this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement();
}

第二步：实现getDelay方法,该方法返回当前元素还需要延时多长时间，单位是纳秒，代码如下：

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

通过构造函数可以看出延迟时间参数ns的单位是纳秒，自己设计的时候最好使用纳秒，因为实现getDelay()方法时可以指定任意单位，一旦以秒或分作为单位，而延时时间又精确不到纳秒就麻烦了。使用时请注意当time小于当前时间时，getDelay会返回负数。

第三部：实现compareTo方法指定元素的顺序。例如，让延时时间最长的放在队列的末尾。实现代码如下。

public int compareTo(Delayed other) {
     if (other == this)         //compare zero ONLY if same object
         return 0;
     if (other instanceof ScheduledFutureTask) {
         ScheduledFutureTask<?> x = (ScheduledFutureTask<?>) other;
         long diff = time - x.time;
         if (diff < 0)
             return -1;
         else if (diff > 0)
             return 1;
         else if (sequenceNumber < x.sequenceNumber)
             return -1;
         else
             return 1; 
    }
     long d = (getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) - other.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS));
     return (d == 0) ? 0 : ((d < 0) ? -1 : 1);
}

(2) 如何实现延时阻塞队列

延时阻塞队列的实现很简单，当消费者从队列里获取元素时，如果元素没有达到延时时间，就阻塞当前线程。

long delay = first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS);
if (delay <= 0)
   return q.poll();
else if (leader != null)
   available.await();
else {
   Thread thisThread = Thread.currentThread();
   leader = thisThread;
   try{
      available.awaitNanos(delay);
   }finally{
       if (leader == thisThread)
           leader = null;
   }
}

代码中的变量leader是一个等待获取队列头部元素的线程。如果leader不等于空，表示已经有线程在等待获取队列的头元素。所以await()方法让当前线程等待信号。如果leader等于空，则把当前线程设置成leader，并使用awaitNanos()方法让当前线程等待接收信号或等待delay时间。

 5. SynchronousQueue

SynchronousQueue是一个不存储元素的阻塞队列。每一个put操作必须等待一个take操作，否则不能继续添加元素。

它支持公平访问队列。默认情况下线程采用非公平性策略访问队列。使用以下构造方法可以创建公平性访问的SynchronousQueue，如果设置为true，则等待的线程会采用先进先出的顺序访问队列。

public SynchronousQueue(boolean fair){
      transferer = fair ? new TransferQueue() : new TransferStack();
}

SynchronousQueue可以看成是一个传球手，负责把生产者线程处理的数据直接传递给消费者线程。队列本身并不存储任何元素，非常适合传递性场景。SynchronousQueue的吞吐量高于LinkedBlockingQueue和ArrayBlockingQueue。

6. LinkedTransferQueue

LinkedTransferQueue是一个由链表结构组成的无界阻塞TransferQueue队列。相对于其他阻塞队列，LinkedTransferQueue多了tryTransfer和transfer方法。

(1) transfer方法

如果当前有消费者正在等待接收元素(消费者使用take()方法或带时间限制的poll()方法时),transfer方法可以把生产者传入的元素立刻transfer(传输)给消费者。如果没有消费者在等待接收元素,transfer方法会将元素存放在队列的tail节点，并等到该元素被消费者消费了才返回。transfer方法的关键代码如下。

Node pred = tryAppend(s, haveData);
return awaitMatch(s,pred,e,(how == TIMED), nanos);

第一行代码是试图把存放当前元素的s节点作为tail节点。第二行代码是让CPU自旋等待消费者消费元素。因为自旋会消耗CPU，所以自旋一定的次数后使用Thread.yield()方法来暂停当前正在执行的线程，并执行其他线程。

(2) tryTransfer方法

tryTransfer方法是用来试探生产者传入的元素是否能直接传给消费者。如果没有消费者等待接收元素，则返回false。和transfer方法的区别是tryTransfer方法无论消费者是否接收，方法立即返回，而transfer方法是必须等到消费者消费了才返回。

对于带有时间限制的tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit)方法，试图把生产者传入的元素直接传给消费者，但是如果没有消费者消费该元素则等待指定的时间再返回，如果超时还没消费元素，则返回false，如果在超时时间内消费了元素，则返回true。

7. LinkedBlockingDeque

LinkedBlockingDeque是一个由链表结构组成的双向阻塞队列。所谓双向队列指的是可以从队列的两端插入和移出元素。双向队列因为多了一个操作队列的入口，在多线程同时入队的时，也就少了一半的竞争。相比其他的阻塞队列，LinkedBlockingDeque多了addFirst、addLast、offerFirst、offerLast、peekFirst和peekLast等方法，以First单词结尾的方法，表示插入、获取(peek)或移除双端队列的最后一个元素。另外，插入方法add等同于addLast，移除方法remove等效于removeFirst。但是take方法却等同于takeFirst，不知道是不是JDK的bug,使用时还是用带有First和Last后缀的方法更清楚。

在初始化LinkedBlockingDeque时可以设置容量防止其过度膨胀。另外，双向阻塞队列可以运用在"工作窃取”模式中。

以上就是对Java中的阻塞队列进行了列举与描述

文章内容参考 《Java并发编程的艺术》 作为读书笔记。