Java中的阻塞队列
Java中的阻塞队列
Java中的阻塞队列
1. 什么是阻塞队列
阻塞队列相比普通队列，支持下面两个操作：
- 支持阻塞的插入方法。队列满时，插入元素的线程可以阻塞等待队列变为不满。
- 支持阻塞的移除方法。队列为空时，获取元素的线程可以阻塞等待队列变为非空。
阻塞队列常常用于生产者消费者场景。
在阻塞队列不可用时，这两个附加操作提供了四种处理方式：
| 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：当队列满时再插入元素，会抛出
IllegalStateException("Queuefull")异常；当队列空时再获取元素，会抛出NoSuchElementException异常。 - 返回特殊值：当往队列插入元素时，插入成功返回 true。当从队列取出元素时，没有则返回 null。
- 一直阻塞：当阻塞队列满时，如果
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take元素，队列会阻塞消费者线程，知道队列不为空。 - 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，如果超过指定时间，生产者线程就会退出。
2. Java中的阻塞队列
JDK7 提供了下列 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。
2.1 ArrayBlockingQueue
ArrayBlockingQueue是一个数组实现的有界阻塞队列，按照 FIFO 原则对元素排序。
默认状态下线程竞争该队列是不公平的，但可以用以下代码创建一个公平的阻塞队列：
ArrayBlockingQueue fairQueue = new ArrayBlockingQueue(1000,true);
公平性使用一个公平的可重入锁实现的。
2.2 LinkedBlockingQueue
LinkedBlockingQueue是一个链表实现的有界阻塞队列。
默认和最大长度是Integer.MAX_VALUE，按照先入先出原则进行排序。
2.3 PriorityBlockingQueue
PriorityBlockingQueue是支持优先级的无界阻塞队列，默认情况下元素自然顺序升序排列，也可以自定义Comparator。
2.4 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实现，队列中的元素必须实现Delayed接口，在创建元素时指定多久才能从队列中获取当前元素。
可以用在以下场景：
- 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，一旦能获取元素，说明有效期到了。 - 定时任务调度。可以用
DelayQueue保存当前将执行的任务和执行时间，一旦从DelayQueue获取任务就开始执行，比如TimerQueue就是用DelayQueue实现的。
2.5 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put。
SynchronousQueue可以看成一个传球手，负责把生产者线程处理的数据直接传递给消费者线程。队列本身不存储元素，非常适合传递性场景，吞吐量很高。
2.6 LinkedTransferQueue
LinkedTransferQueue是一个链表结构的无界阻塞队列。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，比如take()方法或poll()方法，transfer()方法可以把生产者传入的元素立即transfer()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。
tryTransfer()方法
tryTransfer()方用来试探生产者传入的元素能否直接传给消费者。如果没有消费者等待接收元素，就返回false。
tryTransfer()方法无论消费者是否接收，方法立即返回，而transfer()方法必须等待消费者消费了才返回。
2.7 LinkedBlockingDeque
LinkedBlockingDeque是一个由链表结构组成的双向阻塞队列。
由于是双向队列，多了addFirst()、addLast()、offerFirst()等方法。
这个队列可以用于工作窃取模式中。
3. 阻塞队列实现原理
JDK 使用通知模式实现阻塞队列。
-
当生产者往满的队列里添加元素时，会阻塞住生产者。
-
当消费者消费了一个队列中的元素后，会通知生产者当前队列可用。
上面的两步在 JDK 中使用了 Condition 实现。
当往队列里插入元素，而队列不可用时，阻塞生产者主要通过LockSupport.park(this)来实现。
