Java并发编程之阻塞队列

1、什么是阻塞队列？

队列是一种数据结构，它有两个基本操作：在队列尾部加入一个元素，从队列头部移除一个元素。阻塞队里与普通的队列的区别在于，普通队列不会对当前线程产生阻塞，在面对类似消费者-生产者模型时，就必须额外的实现同步策略以及线程间唤醒策略。使用阻塞队列，就会对当前线程产生阻塞，当队列是空时，从队列中获取元素的操作将会被阻塞，当队列是满时，往队列里添加元素的操作也会被阻塞。

2、主要的阻塞队列及其方法

java.util.concurrent包下提供主要的几种阻塞队列，主要有以下几个：

ArrayBlockingQueue:基于数组实现的阻塞队列，在创建ArrayBlockingQueue对象时必须指定其容量大小，还可以指定访问策略，默认情况下为非公平的，即不保证等待时间最长的线程最优先能够访问队列。
LinkedBlockingQueue：基于链表实现的一个阻塞队列，在创建LinkedBlockingQueue对象时如果不指定容量大小，则默认大小为Integer.MAX_VALUE。
以上2种队列都是先进先出队列，而PriorityBlockingQueue却不是，它会按照元素的优先级对元素进行排序，按照优先级顺序出队，每次出队的元素都是优先级最高的元素。注意，此阻塞队列为无界阻塞队列，即容量没有上限（通过源码就可以知道，它没有容器满的信号标志），前面2种都是有界队列。
DelayQueue：基于PriorityQueue，一种延时阻塞队列，DelayQueue中的元素只有当其指定的延迟时间到了，才能够从队列中获取到该元素。DelayQueue也是一个无界队列，因此往队列中插入数据的操作（生产者）永远不会被阻塞，而只有获取数据的操作（消费者）才会被阻塞。

阻塞队列包括了非阻塞队列中的大部分方法，还提供另外若干非常有用的方法：

put方法用来向队尾存入元素，如果队列满，则等待；
take方法用来从队首取元素，如果队列为空，则等待；
offer方法用来向队尾存入元素，如果队列满，则等待一定的时间，当时间期限达到时，如果还没有插入成功，则返回false；否则返回true；
poll方法用来从队首取元素，如果队列空，则等待一定的时间，当时间期限达到时，如果取到，则返回null；否则返回取得的元素；

下面看一段代码：

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;

/** 
 * @author 作者：徐剑   E-mail:anxu_2013@163.com 
 * @version 创建时间：2016年3月20日 下午12:52:53 
 * 类说明 
 */
public class BlockingQueue
{
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException
    {
        java.util.concurrent.BlockingQueue<String> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(5);
        for (int i = 0; i < 10; i++)
        {
            // 将指定元素添加到此队列中
            blockingQueue.put("加入元素" + i);
            System.out.println("向阻塞队列中添加了元素:" + i);
        }
        System.out.println("程序到此运行结束，即将退出----");
    }
}

当限制阻塞队列数量为5时，添加了5个元素之后，继续添加将会队列外阻塞等待，此时程序并未终止。

当队列满了之后，我们将队首元素移除，则可以继续向阻塞队列中添加元素，代码如下：

public class BlockingQueue
{
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException
    {
        java.util.concurrent.BlockingQueue<String> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(5);
        for (int i = 0; i < 10; i++)
        {
            // 将指定元素添加到此队列中
            blockingQueue.put("加入元素" + i);
            System.out.println("向阻塞队列中添加了元素:" + i);
            if(i>=4)
                System.out.println("移除队首元素"+blockingQueue.take());
        }
        System.out.println("程序到此运行结束，即将退出----");
    }
}

执行结果如下：

3、阻塞队列的实现原理

下面主要看一下ArrayBlockingQueue的实现原理。

首先看一下ArrayBlockingQueue类的成员变量：

public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
        implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {

    /** 底层存储结构-数组 */
    final Object[] items;

    /** 队首元素下标 */
    int takeIndex;

    /** 队尾元素下标 */
    int putIndex;

    /**队列元素总数 */
    int count;

    /** 重入锁 */
    final ReentrantLock lock;

    /** notEmpty等待条件 */
    private final Condition notEmpty;
    /** notFull等待条件 */
    private final Condition notFull;
    /**
     * Shared state for currently active iterators, or null if there
     * are known not to be any.  Allows queue operations to update
     * iterator state.
     */
    transient Itrs itrs = null;

可以看到，ArrayBlockingQueue用来存储元素的实际上是一个数组。

再看下ArrayBlockingQueue两个重要方法的实现，put()和take():

public void put(E e) throws InterruptedException
    {
        //先检查e是否为空
        checkNotNull(e);
        //获取锁
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try
        {
            //当队列已满，进入条件等待
            while (count == items.length)
                notFull.await();
            //队列不满，进行入队列操作
            enqueue(e);
        } 
        finally
        {
            //释放锁
            lock.unlock();
        }
    }

再看下具体的入队操作：

private void enqueue(E x)
    {
        final Object[] items = this.items;
        //队尾入队
        items[putIndex] = x;
        if (++putIndex == items.length)
            putIndex = 0;
        //队列总数+1
        count++;
        //notempty条件的等待集中随机选择一个线程，解除其阻塞状态
        notEmpty.signal();
    }

下面是take()方法的源代码：

public E take() throws InterruptedException
    {
        //获取锁
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try
        {
            //队列为空
            while (count == 0)
                //线程加入notEmpty条件等待集
                notEmpty.await();
            //非空，出队列
            return dequeue();
        } finally
        {
            //释放锁
            lock.unlock();
        }
    }

4、阻塞队列的应用：实现消费者-生产者模式

/** 
 * @author 作者：徐剑   E-mail:anxu_2013@163.com 
 * @version 创建时间：2016年3月20日 下午2:21:55 
 * 类说明：阻塞队列实现的消费者-生产者模式
 */
public class Test
{
    private int queueSize = 10;
    private ArrayBlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<Integer>(queueSize);
    public static void main(String[] args)
    {
        Test test = new Test();
        Producer producer = test.new Producer();
        Consumer consumer = test.new Consumer();
        producer.start();
        consumer.start();
    }
    class Consumer extends Thread
    {
        @Override
        public void run()
        {
            consume();
        }

        private void consume()
        {
            while (true)
            {
                try
                {
                    queue.take();
                    System.out.println("从队列取走一个元素，队列剩余" + queue.size() + "个元素");
                } catch (InterruptedException e)
                {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
    class Producer extends Thread
    {
        @Override
        public void run()
        {
            produce();
        }
        private void produce()
        {
            while (true)
            {
                try
                {
                    queue.put(1);
                    System.out.println("向队列取中插入一个元素，队列剩余空间："+ (queueSize - queue.size()));
                } catch (InterruptedException e)
                {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

5、参考资料

http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3932906.html