线程与并发(三) 阻塞队列
一.几种主要的阻塞队列
1.1 ArrayBlockingQueue：
基于数组实现的一个阻塞队列，在创建ArrayBlockingQueue对象时必须制定容量大小。并且可以指定公平性与非公平性，默认情况下为非公平的，即不保证等待时间最长的队列最优先能够访问队列。
1.2 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。
1.3 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。
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。
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)
take()
offer(E e,long timeout, TimeUnit unit)
poll(long timeout, TimeUnit unit)
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；
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，其他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，有兴趣的朋友可自行查看其他阻塞队列的实现源码。
首先看一下ArrayBlockingQueue类中的几个成员变量：
public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E> implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable { private static final long serialVersionUID = -817911632652898426L; /** The queued items */ private final E[] items; /** items index for next take, poll or remove */ private int takeIndex; /** items index for next put, offer, or add. */ private int putIndex; /** Number of items in the queue */ private int count; /* * Concurrency control uses the classic two-condition algorithm * found in any textbook. */ /** Main lock guarding all access */ private final ReentrantLock lock; /** Condition for waiting takes */ private final Condition notEmpty; /** Condition for waiting puts */ 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：
public ArrayBlockingQueue(int capacity) { } public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) { } public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair, Collection<? extends E> c) { }
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进行初始化。
然后看它的两个关键方法的实现：put()和take()：
从put方法的实现可以看出，它先获取了锁，并且获取的是可中断锁，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。
当被其他线程唤醒时，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：
private void insert(E x) { items[putIndex] = x; putIndex = inc(putIndex); ++count; notEmpty.signal(); }
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：
public E take() throws InterruptedException { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lockInterruptibly(); try { try { while (count == 0) notEmpty.await(); } catch (InterruptedException ie) { notEmpty.signal(); // propagate to non-interrupted thread throw ie; } E x = extract(); return x; } finally { lock.unlock(); } }
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。
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Object.notify()、非阻塞队列实现生产者-消费者模式：
public class Test { private int queueSize = 10; private PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<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){ synchronized (queue) { while(queue.size() == 0){ try { System.out.println("队列空，等待数据"); queue.wait(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); queue.notify(); } } queue.poll(); //每次移走队首元素 queue.notify(); System.out.println("从队列取走一个元素，队列剩余"+queue.size()+"个元素"); } } } } class Producer extends Thread{ @Override public void run() { produce(); } private void produce() { while(true){ synchronized (queue) { while(queue.size() == queueSize){ try { System.out.println("队列满，等待有空余空间"); queue.wait(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); queue.notify(); } } queue.offer(1); //每次插入一个元素 queue.notify(); System.out.println("向队列取中插入一个元素，队列剩余空间："+(queueSize-queue.size())); } } } } }
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。
下面是使用阻塞队列实现的生产者-消费者模式：
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(); } } } } }
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列，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。还有其他类似的场景，只要符合生产者-消费者模型的都可以使用阻塞队列。
