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。
| 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：
1 private static final AtomicLong sequencer = new AtomicLong(0); 2 3 ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns, long period){ 4 super(r, result); 5 this.time = ns; 6 this.period = period; 7 this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement(); 8 }
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：
1 public long getDelay(TimeUnit unit){ 2 return unit.convert(time - now(), TimeUnit.NANOSECONDS); 3 }
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。
1 public int compareTo(Delayed other) { 2 if (other == this) //compare zero ONLY if same object 3 return 0; 4 if (other instanceof ScheduledFutureTask) { 5 ScheduledFutureTask<?> x = (ScheduledFutureTask<?>) other; 6 long diff = time - x.time; 7 if (diff < 0) 8 return -1; 9 else if (diff > 0) 10 return 1; 11 else if (sequenceNumber < x.sequenceNumber) 12 return -1; 13 else 14 return 1; 15 } 16 long d = (getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) - other.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS)); 17 return (d == 0) ? 0 : ((d < 0) ? -1 : 1); 18 }
(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。
1 long delay = first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS); 2 if (delay <= 0) 3 return q.poll(); 4 else if (leader != null) 5 available.await(); 6 else { 7 Thread thisThread = Thread.currentThread(); 8 leader = thisThread; 9 try{ 10 available.awaitNanos(delay); 11 }finally{ 12 if (leader == thisThread) 13 leader = null; 14 } 15 }
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。
