【转】Java并发编程：阻塞队列
在前面几篇文章中，我们讨论了同步容器（Hashtable、Vector），也讨论了并发容器（ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList），这些工具都为我们编写多线程程序提供了很大的方便。今天我们来讨论另外一类容器：阻塞队列。
在前面我们接触的队列都是非阻塞队列，比如PriorityQueue、LinkedList(LinkedList是双向链表，它实现了Dequeue接口)。
使用了非阻塞队列的时候有一个很大的问题就是：它不会对当前线程产生阻塞，那么在面对类似消费者-生产者的模型时，就必须额外地实现同步策略以及线程间唤醒策略，这个实现起来就非常麻烦。但是有了阻塞队列就不一样了，它会对当前线程产生阻塞，比如一个线程从一个空的阻塞队列中取元素，此时线程会被阻塞直到阻塞队列中有了元素。当队列中有元素后，被阻塞的线程会自动被唤醒（不需要我们编写代码去唤醒）。这样提供了极大的方便性。
一、几种主要的阻塞队列
自从Java 1.5之后，在java.util.concurrent包下提供了若干个阻塞队列，主要有以下几个：
ArrayBlockingQueue:基于数组实现的一个有界阻塞队列，在创建ArrayBlockingQueue对象时必须指定容量大小。并且可以指定公平性与非公平性，默认情况下为非公平的。所谓公平的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，先阻塞的线程先访问ArrayBlockingQueue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能够访问队里。然后为了保证公平性，通常会降低吞吐量。
LinkedBlockingQueue:基于链表实现的一个有界阻塞队列，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。
PriorityBlockingQueue: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（通过源码可知，其没有容器满的信号标志）。
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时时间到了，才能够从队列中获取到该元素。DelayQueue也是一个无界队列，因此队列中插入数据的线程（生产者）永远不会被阻塞，而只有获取数据的线程（消费者）才会被阻塞。
二、阻塞队列中的方法 VS 非阻塞队列中的方法
1、非阻塞队列中的几个主要方法：
add(E e):将元素e插入到队列末尾，如果插入成功，则返回true；如果插入失败（即队列已满），则会抛出异常；
remove():移除队首元素，若移除成功，则返回true；如果移除失败（队列为空），则会抛出异常；
offer(E e):将元素e插入到队列末尾，如果插入成功，则返回true；如果插入失败（即队列已满），则返回false；
poll():移除并获取队首元素，若成功，则返回队首元素；否则返回null；
peek():获取队首元素，若成功，则返回队首元素；否则返回null
对于非阻塞队列，一般情况下建议使用offer、poll和peek三个方法，不建议使用add和remove方法。因为使用offer、poll和peek三个方法可以通过返回值判断操作成功与否，而使用add和remove方法却不能达到这样的效果。注意，非阻塞队列中的方法都没有进行同步措施。
2、阻塞队列中的几个主要方法：
阻塞队列包括了非阻塞队列中的大部分方法，上面列举的5个方法在阻塞队列中都存在，但是要注意这5个方法在阻塞队列中都进行了同步措施。除此之外，阻塞队列提供了另外4个非常有用的方法：
put(E e):向队尾存入元素，如果队列满，则等待；
take():从队首取元素，如果队列为空，则等待；
offer(E e,long timeout,TimUnit unit):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(long timeout,TimeUnit unit):从队首取元素，如果队列为空，则等待一定的时间，当时间期限达到时，如果未取到，则返回null；否则返回取得的元素；
三、阻塞队列的实现原理
前面谈到了非阻塞队列和阻塞队列中常用的方法，下面来探讨阻塞队列的实现原理，本文以ArrayBlockingQueue为例，其它阻塞队列实现原理可能和ArrayBlockingQueue有一些差别，但是大体思路应该类似。
首先，看一下ArrayBlockingQueue类中的几个成员变量：
1 public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E> 2 implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable { 3 4 /** 5 * Serialization ID. This class relies on default serialization 6 * even for the items array, which is default-serialized, even if 7 * it is empty. Otherwise it could not be declared final, which is 8 * necessary here. 9 */ 10 private static final long serialVersionUID = -817911632652898426L; 11 12 /** The queued items */ 13 final Object[] items; 14 15 /** items index for next take, poll, peek or remove */ 16 int takeIndex; 17 18 /** items index for next put, offer, or add */ 19 int putIndex; 20 21 /** Number of elements in the queue */ 22 int count; 23 24 /* 25 * Concurrency control uses the classic two-condition algorithm 26 * found in any textbook. 27 */ 28 29 /** Main lock guarding all access */ 30 final ReentrantLock lock; 31 /** Condition for waiting takes */ 32 private final Condition notEmpty; 33 /** Condition for waiting puts */ 34 private final Condition notFull;
可以看出，ArrayBlockingQueue中用来存储元素的实际上是一个数组，takeIndex和putIndex分别表示队首元素和队尾元素的下标，count表示队列中元素的个数。
lock是一个可重入锁，notEmpty和notFull是等待条件。
下面看一下ArrayBlockingQueue的构造器，构造器有三个重载版本：
1 public ArrayBlockingQueue(int capacity) { 2 } 3 public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) { 4 5 } 6 public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair, 7 Collection<? extends E> c) { 8 }
第一个构造器只有一个参数用来指定容量，第二个构造器可以指定容量和公平性，第三个构造器可以指定容量、公平性以及用另外一个集合的数据对队列进行初始化。
然后看它的两个关键方法的实现：put()和take():
下面是put()方法实现：
1 public void put(E e) throws InterruptedException { 2 if(e == null) throws new NullPointerException(); 3 4 final ReentrantLock lock = this.lock(); 5 // 允许在等待时由其它线程调用等待线程的Thread.interrupt方法来中断等待线程的等待，当等待线程被打断时， 6 // 会被要求处理InterruptedException，或将InterruptedException抛出 7 lock.lockInterruptibly(); 8 try { 9 try { 10 while(count == items.length) 11 notFull.await(); 12 }catch(InterruptedException ie) { 13 notFull.signal(); // propagate to non-interrupted thread 14 throw ie; 15 } 16 17 insert(e); 18 } finally { 19 lock.unlock(); 20 } 21 }
从put方法的实现可以看出，它先获取了锁，并且获取的锁是可中断锁，然后判断当前元素个数是否等于数组的长度，如果相等，则调用notFull.await()进行等待，如果捕获到中断异常，则唤醒线程并抛出异常。
当队列未满或被其它线程唤醒时，通过insert(e)方法插入元素，最后解锁。
我们看一下insert方法的实现：
1 private insert(E x) { 2 items[putIndex] = x; 3 putIndex = inc(putIndex); 4 ++count; 5 notEmpty.signal(); 6 }
它是一个private方法，插入成功后，通过notEmpty唤醒正在等待取元素的线程。
下面是take()方法的实现：
1 public E take() throws InterruptedException { 2 final ReentrantLock lock = this.lock; 3 4 lock.lockInterruptibly(); 5 try { 6 try { 7 while(count == 0) 8 notEmpty.await(); 9 }catch(InterruptedException) { 10 notEmpty.signal(); // propagate to non-interrupted thread 11 throw ie; 12 } 13 14 E x = extract(); 15 return x; 16 }finally { 17 lock.unlock(); 18 19 } 20 }
跟put方法实现很类似，只不过put方法等待的是notFull信号，而take方法等待的是notEmpty信号。在take方法中，如果可以取元素，则通过extract方法取得元素，下面是extract方法的实现：
1 private E extract() { 2 final E[] items = this.items; 3 E x = items[takeIndex]; 4 items[takeIndex] = null; 5 takeIndex = inc(takeIndex); 6 --count; 7 notFull.signal(); 8 return x; 9 }
跟insert方法也很类似。
其实从这里大家应该明白了阻塞队列的实现原理，事实它和我们用Object.wait()、Object.notify()和非阻塞队列实现生产者-消费者的思路类似，只不过它把这些工作一起集成到了阻塞队列中实现。
四、示例和使用场景
下面先使用Object.wait()和Objct.notify()、非阻塞队列实现生产者-消费者模式：
1 package com.meng.javalanguage.producerConsumer; 2 3 import java.util.PriorityQueue; 4 5 public class Test { 6 private int queueSize = 10; 7 private PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<Integer>(queueSize); 8 9 public static void main(String[] args) { 10 Test test = new Test(); 11 Producer producer = test.new Producer(); 12 Consumer consumer = test.new Consumer(); 13 14 15 producer.start(); 16 consumer.start(); 17 } 18 19 class Consumer extends Thread { 20 21 @Override 22 public void run() { 23 consume(); 24 } 25 26 private void consume() { 27 while(true) { 28 synchronized (queue) { 29 while(queue.size() == 0) { 30 try { 31 System.out.println("队列空，等待数据"); 32 queue.wait(); 33 }catch (InterruptedException ie) { 34 ie.printStackTrace(); 35 queue.notify(); 36 37 } 38 } 39 40 queue.poll(); // 每次移走队首元素 41 queue.notify(); 42 System.out.println("从队列取走一个元素，队列剩余" + queue.size() + "个元素"); 43 } 44 } 45 } 46 } 47 48 class Producer extends Thread { 49 50 @Override 51 public void run() { 52 produce(); 53 } 54 55 private void produce() { 56 while(true) { 57 synchronized (queue) { 58 while(queue.size() == queueSize) { 59 try { 60 System.out.println("队列满，等待有空余空间"); 61 queue.wait(); 62 }catch (InterruptedException ie) { 63 ie.printStackTrace(); 64 queue.notify(); 65 } 66 } 67 68 queue.offer(1); // 每次插入一个元素 69 queue.notify(); 70 System.out.println("向队列中插入一个元素，队列剩余空间：" + (queueSize - queue.size())); 71 } 72 } 73 } 74 75 } 76 }
这个是经典的生产者-消费者模式，通过阻塞队列和Object.wait()和Object.notify()实现，wait()和notify()主要用来实现线程间通信。
具体的线程间通信方式（wait和notify的使用）在后续文章中会讲述到。
下面是阻塞队列实现的生产者-消费者模式：
1 package com.meng.javalanguage.producerConsumer; 2 3 import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue; 4 5 public class Test1 { 6 7 private int queueSize = 10; 8 private ArrayBlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<Integer>(queueSize); 9 10 public static void main(String[] args) { 11 Test1 test1 = new Test1(); 12 Producer producer = test1.new Producer(); 13 Consumer consumer = test1.new Consumer(); 14 15 producer.start(); 16 consumer.start(); 17 } 18 19 20 class Consumer extends Thread { 21 22 @Override 23 public void run() { 24 cunsume(); 25 } 26 27 private void cunsume() { 28 while(true) { 29 try { 30 queue.take(); // 该方法会抛出异常，需在try...catch块中执行 31 System.out.println("从队列中取走一个元素，队列剩余" + queue.size() + "个元素"); 32 }catch (InterruptedException ie) { 33 ie.printStackTrace(); 34 } 35 } 36 } 37 } 38 39 class Producer extends Thread { 40 41 @Override 42 public void run() { 43 produce(); 44 } 45 46 private void produce() { 47 while(true) { 48 try { 49 queue.put(1); // 该方法会抛出异常，需要try...catch块中执行 50 System.out.println("向队列中插入一个元素，队列剩余空间" + (queueSize - queue.size())); 51 }catch (InterruptedException ie) { 52 ie.printStackTrace(); 53 } 54 } 55 } 56 } 57 }
有没有发现，使用阻塞队列代码要简单得多，不需要再单独考虑同步和线程间通信的问题。
在并发编程中，一般推荐使用阻塞队里，这样实现可以尽量地避免程序出现意外的错误。
阻塞队列使用最经典的场景就是socket客户端数据的读取和解析，读取数据的线程不断将数据放入队列，然后解析线程不断从队列取数据解析。还有其它类似的场景，只要符合生产者-消费者模型的都可以使用阻塞队列。
转载自《Java并发编程：阻塞队列》
