【Java多线程】Java中的阻塞队列（十五）

什么是阻塞队列

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

• 支持阻塞的插入方法：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。

• 支持阻塞的移除方法：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。

　　在阻塞队列不可用时，这两个附加操作提供了4种处理方式，如下表所示。

　　

• 抛出异常：当队列满时，如果再往队列里插入元素，会抛出IllegalStateException（“Queuefull”）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。

　　这两个附加操作的4种处理方式不方便记忆，所以我找了一下这几个方法的规律。put和take分别尾首含有字母t，offer和poll都含有字母o。

　　注意 如果是无界阻塞队列，队列不可能会出现满的情况，所以使用put或offer方法永远不会被阻塞，而且使用offer方法时，该方法永远返回true。

Java里的阻塞队列

　　JDK 7提供了7个阻塞队列，如下。

• 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

　　ArrayBlockingQueue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，所谓公平访问队列是指阻塞的线程，可以按照阻塞的先后顺序访问队列，即先阻塞线程先访问队列。非公平性是对先等待的线程是非公平的，当队列可用时，阻塞的线程都可以争夺访问队列的资格，有可能先阻塞的线程最后才访问队列。为了保证公平性，通常会降低吞吐量。我们可以使用以下代码创建一个公平的阻塞队列。

　　

　　访问者的公平性是使用可重入锁实现的，代码如下。

　　

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。**默认情况下元素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运用在以下应用场景。

• 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。

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记录当前对象延迟到什么时候可以使用，使用sequenceNumber来标识元素在队列中的先后顺序。代码如下。

　　

　　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。

　　

　　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。

　　第三步：实现compareTo方法来指定元素的顺序。例如，让延时时间最长的放在队列的末尾。实现代码如下。

　　

　　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。

　　

　　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，使用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。

　　

　　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。

• 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。

　　

　　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。

• 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，在多线程同时入队时，也就减少了一半的竞争。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）或移除双端队列的第一个元素。以Last单词结尾的方法，表示插入、获取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。

参考文章：

　　1、《Java并发编程的艺术》

　　2、https://blog.csdn.net/cold___play/article/details/104062649