java高并发系列 - 第25天：掌握JUC中的阻塞队列

这是java高并发系列第25篇文章。

环境：jdk1.8。

本文内容

1. 掌握Queue、BlockingQueue接口中常用的方法
2. 介绍6中阻塞队列，及相关场景示例
3. 重点掌握4种常用的阻塞队列

Queue接口

队列是一种先进先出（FIFO）的数据结构，java中用Queue接口来表示队列。

Queue接口中定义了6个方法：

public interface Queue<E> extends Collection<E> {
    boolean add(e);
    boolean offer(E e);
    E remove();
    E poll();
    E element();
    E peek();
}

每个Queue方法都有两种形式：

（1）如果操作失败则抛出异常，

（2）如果操作失败，则返回特殊值（null或false，具体取决于操作），接口的常规结构如下表所示。

操作类型	抛出异常	返回特殊值
插入	add(e)	offer(e)
移除	remove()	poll()
检查	element()	peek()

Queue从Collection继承的add方法插入一个元素，除非它违反了队列的容量限制，在这种情况下它会抛出IllegalStateException；offer方法与add不同之处仅在于它通过返回false来表示插入元素失败。

remove和poll方法都移除并返回队列的头部，确切地移除哪个元素是由具体的实现来决定的，仅当队列为空时，remove和poll方法的行为才有所不同，在这些情况下，remove抛出NoSuchElementException，而poll返回null。

element和peek方法返回队列头部的元素，但不移除，它们之间的差异与remove和poll的方式完全相同，如果队列为空，则element抛出NoSuchElementException，而peek返回null。

队列一般不要插入空元素。

BlockingQueue接口

BlockingQueue位于juc中，熟称阻塞队列， 阻塞队列首先它是一个队列，继承Queue接口，是队列就会遵循先进先出（FIFO）的原则，又因为它是阻塞的，故与普通的队列有两点区别：

1. 当一个线程向队列里面添加数据时，如果队列是满的，那么将阻塞该线程，暂停添加数据
2. 当一个线程从队列里面取出数据时，如果队列是空的，那么将阻塞该线程，暂停取出数据

BlockingQueue相关方法：

操作类型	抛出异常	返回特殊值	一直阻塞	超时退出
插入	add(e)	offer(e)	put(e)	offer(e,timeuout,unit)
移除	remove()	poll()	take()	poll(timeout,unit)
检查	element()	peek()	不支持	不支持

重点，再来解释一下，加深印象：

1. 3个可能会有异常的方法，add、remove、element；这3个方法不会阻塞（是说队列满或者空的情况下是否会阻塞）；队列满的情况下，add抛出异常；队列为空情况下，remove、element抛出异常
2. offer、poll、peek 也不会阻塞（是说队列满或者空的情况下是否会阻塞）；队列满的情况下，offer返回false；队列为空的情况下，pool、peek返回null
3. 队列满的情况下，调用put方法会导致当前线程阻塞
4. 队列为空的情况下，调用take方法会导致当前线程阻塞
5. offer(e,timeuout,unit)，超时之前，插入成功返回true，否者返回false
6. poll(timeout,unit)，超时之前，获取到头部元素并将其移除，返回true，否者返回false
7. 以上一些方法希望大家都记住，方便以后使用

BlockingQueue常见的实现类

看一下相关类图

ArrayBlockingQueue

基于数组的阻塞队列实现，其内部维护一个定长的数组，用于存储队列元素。线程阻塞的实现是通过ReentrantLock来完成的，数据的插入与取出共用同一个锁，因此ArrayBlockingQueue并不能实现生产、消费同时进行。而且在创建ArrayBlockingQueue时，我们还可以控制对象的内部锁是否采用公平锁，默认采用非公平锁。

LinkedBlockingQueue

基于单向链表的阻塞队列实现，在初始化LinkedBlockingQueue的时候可以指定大小，也可以不指定，默认类似一个无限大小的容量（Integer.MAX_VALUE），不指队列容量大小也是会有风险的，一旦数据生产速度大于消费速度，系统内存将有可能被消耗殆尽，因此要谨慎操作。另外LinkedBlockingQueue中用于阻塞生产者、消费者的锁是两个（锁分离），因此生产与消费是可以同时进行的。

PriorityBlockingQueue

一个支持优先级排序的无界阻塞队列，进入队列的元素会按照优先级进行排序

SynchronousQueue

同步阻塞队列，SynchronousQueue没有容量，与其他BlockingQueue不同，SynchronousQueue是一个不存储元素的BlockingQueue，每一个put操作必须要等待一个take操作，否则不能继续添加元素，反之亦然

DelayQueue

DelayQueue是一个支持延时获取元素的无界阻塞队列，里面的元素全部都是“可延期”的元素，列头的元素是最先“到期”的元素，如果队列里面没有元素到期，是不能从列头获取元素的，哪怕有元素也不行，也就是说只有在延迟期到时才能够从队列中取元素

LinkedTransferQueue

LinkedTransferQueue是基于链表的FIFO无界阻塞队列，它出现在JDK7中，Doug Lea 大神说LinkedTransferQueue是一个聪明的队列，它是ConcurrentLinkedQueue、SynchronousQueue(公平模式下)、无界的LinkedBlockingQueues等的超集，LinkedTransferQueue包含了ConcurrentLinkedQueue、SynchronousQueue、LinkedBlockingQueues三种队列的功能

下面我们来介绍每种阻塞队列的使用。

ArrayBlockingQueue

有界阻塞队列，内部使用数组存储元素，有2个常用构造方法：

//capacity表示容量大小，默认内部采用非公平锁
public ArrayBlockingQueue(int capacity)
//capacity：容量大小，fair：内部是否是使用公平锁
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair)

需求：业务系统中有很多地方需要推送通知，由于需要推送的数据太多，我们将需要推送的信息先丢到阻塞队列中，然后开一个线程进行处理真实发送，代码如下：

package com.itsoku.chat25;

import lombok.Data;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import sun.text.normalizer.NormalizerBase;

import java.util.Calendar;
import java.util.concurrent.*;

/**
 * 跟着阿里p7学并发，微信公众号：javacode2018
 */
public class Demo1 {
    //推送队列
    static ArrayBlockingQueue<String> pushQueue = new ArrayBlockingQueue<String>(10000);

    static {
        //启动一个线程做真实推送
        new Thread(() -> {
            while (true) {
                String msg;
                try {
                    long starTime = System.currentTimeMillis();
                    //获取一条推送消息，此方法会进行阻塞，直到返回结果
                    msg = pushQueue.take();
                    long endTime = System.currentTimeMillis();
                    //模拟推送耗时
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500);

                    System.out.println(String.format("[%s,%s,take耗时:%s],%s,发送消息:%s", starTime, endTime, (endTime - starTime), Thread.currentThread().getName(), msg));
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
    }

    //推送消息，需要发送推送消息的调用该方法，会将推送信息先加入推送队列
    public static void pushMsg(String msg) throws InterruptedException {
        pushQueue.put(msg);
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 1; i <= 5; i++) {
            String msg = "一起来学java高并发,第" + i + "天";
            //模拟耗时
            TimeUnit.SECONDS.sleep(i);
            Demo1.pushMsg(msg);
        }
    }
}

输出：

[1565595629206,1565595630207,take耗时:1001],Thread-0,发送消息:一起来学java高并发,第1天
[1565595630208,1565595632208,take耗时:2000],Thread-0,发送消息:一起来学java高并发,第2天
[1565595632208,1565595635208,take耗时:3000],Thread-0,发送消息:一起来学java高并发,第3天
[1565595635208,1565595639209,take耗时:4001],Thread-0,发送消息:一起来学java高并发,第4天
[1565595639209,1565595644209,take耗时:5000],Thread-0,发送消息:一起来学java高并发,第5天

代码中我们使用了有界队列ArrayBlockingQueue，创建ArrayBlockingQueue时候需要制定容量大小，调用pushQueue.put将推送信息放入队列中，如果队列已满，此方法会阻塞。代码中在静态块中启动了一个线程，调用pushQueue.take();从队列中获取待推送的信息进行推送处理。

注意：ArrayBlockingQueue如果队列容量设置的太小，消费者发送的太快，消费者消费的太慢的情况下，会导致队列空间满，调用put方法会导致发送者线程阻塞，所以注意设置合理的大小，协调好消费者的速度。

LinkedBlockingQueue

内部使用单向链表实现的阻塞队列，3个构造方法：

//默认构造方法，容量大小为Integer.MAX_VALUE
public LinkedBlockingQueue();
//创建指定容量大小的LinkedBlockingQueue
public LinkedBlockingQueue(int capacity);
//容量为Integer.MAX_VALUE,并将传入的集合丢入队列中
public LinkedBlockingQueue(Collection<? extends E> c);

LinkedBlockingQueue的用法和ArrayBlockingQueue类似，建议使用的时候指定容量，如果不指定容量，插入的太快，移除的太慢，可能会产生OOM。

PriorityBlockingQueue

无界的优先级阻塞队列，内部使用数组存储数据，达到容量时，会自动进行扩容，放入的元素会按照优先级进行排序，4个构造方法：

//默认构造方法，默认初始化容量是11
public PriorityBlockingQueue();
//指定队列的初始化容量
public PriorityBlockingQueue(int initialCapacity);
//指定队列的初始化容量和放入元素的比较器
public PriorityBlockingQueue(int initialCapacity,Comparator<? super E> comparator);
//传入集合放入来初始化队列，传入的集合可以实现SortedSet接口或者PriorityQueue接口进行排序，如果没有实现这2个接口，按正常顺序放入队列
public PriorityBlockingQueue(Collection<? extends E> c);

优先级队列放入元素的时候，会进行排序，所以我们需要指定排序规则，有2种方式：

1. 创建PriorityBlockingQueue指定比较器Comparator
2. 放入的元素需要实现Comparable接口

上面2种方式必须选一个，如果2个都有，则走第一个规则排序。

需求：还是上面的推送业务，目前推送是按照放入的先后顺序进行发送的，比如有些公告比较紧急，优先级比较高，需要快点发送，怎么搞？此时PriorityBlockingQueue就派上用场了，代码如下：

package com.itsoku.chat25;

import java.util.concurrent.PriorityBlockingQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * 跟着阿里p7学并发，微信公众号：javacode2018
 */
public class Demo2 {

    //推送信息封装
    static class Msg implements Comparable<Msg> {
        //优先级，越小优先级越高
        private int priority;
        //推送的信息
        private String msg;

        public Msg(int priority, String msg) {
            this.priority = priority;
            this.msg = msg;
        }

        @Override
        public int compareTo(Msg o) {
            return Integer.compare(this.priority, o.priority);
        }

        @Override
        public String toString() {
            return "Msg{" +
                    "priority=" + priority +
                    ", msg='" + msg + '\'' +
                    '}';
        }
    }

    //推送队列
    static PriorityBlockingQueue<Msg> pushQueue = new PriorityBlockingQueue<Msg>();

    static {
        //启动一个线程做真实推送
        new Thread(() -> {
            while (true) {
                Msg msg;
                try {
                    long starTime = System.currentTimeMillis();
                    //获取一条推送消息，此方法会进行阻塞，直到返回结果
                    msg = pushQueue.take();
                    //模拟推送耗时
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
                    long endTime = System.currentTimeMillis();
                    System.out.println(String.format("[%s,%s,take耗时:%s],%s,发送消息:%s", starTime, endTime, (endTime - starTime), Thread.currentThread().getName(), msg));
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
    }

    //推送消息，需要发送推送消息的调用该方法，会将推送信息先加入推送队列
    public static void pushMsg(int priority, String msg) throws InterruptedException {
        pushQueue.put(new Msg(priority, msg));
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 5; i >= 1; i--) {
            String msg = "一起来学java高并发,第" + i + "天";
            Demo2.pushMsg(i, msg);
        }
    }
}

输出：

[1565598857028,1565598857129,take耗时:101],Thread-0,发送消息:Msg{priority=1, msg='一起来学java高并发,第1天'}
[1565598857162,1565598857263,take耗时:101],Thread-0,发送消息:Msg{priority=2, msg='一起来学java高并发,第2天'}
[1565598857263,1565598857363,take耗时:100],Thread-0,发送消息:Msg{priority=3, msg='一起来学java高并发,第3天'}
[1565598857363,1565598857463,take耗时:100],Thread-0,发送消息:Msg{priority=4, msg='一起来学java高并发,第4天'}
[1565598857463,1565598857563,take耗时:100],Thread-0,发送消息:Msg{priority=5, msg='一起来学java高并发,第5天'}

main中放入了5条推送信息，i作为消息的优先级按倒叙放入的，最终输出结果中按照优先级由小到大输出。注意Msg实现了Comparable接口，具有了比较功能。

SynchronousQueue

同步阻塞队列，SynchronousQueue没有容量，与其他BlockingQueue不同，SynchronousQueue是一个不存储元素的BlockingQueue，每一个put操作必须要等待一个take操作，否则不能继续添加元素，反之亦然。SynchronousQueue 在现实中用的不多，线程池中有用到过，Executors.newCachedThreadPool()实现中用到了这个队列，当有任务丢入线程池的时候，如果已创建的工作线程都在忙于处理任务，则会新建一个线程来处理丢入队列的任务。

来个示例代码：

package com.itsoku.chat25;

import java.util.concurrent.PriorityBlockingQueue;
import java.util.concurrent.SynchronousQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * 跟着阿里p7学并发，微信公众号：javacode2018
 */
public class Demo3 {

    static SynchronousQueue<String> queue = new SynchronousQueue<>();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(() -> {
            try {
                long starTime = System.currentTimeMillis();
                queue.put("java高并发系列，路人甲Java!");
                long endTime = System.currentTimeMillis();
                System.out.println(String.format("[%s,%s,take耗时:%s],%s", starTime, endTime, (endTime - starTime), Thread.currentThread().getName()));
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
        //休眠5秒之后，从队列中take一个元素
        TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
        System.out.println(System.currentTimeMillis() + "调用take获取并移除元素," + queue.take());
    }
}

输出：

1565600421645调用take获取并移除元素,java高并发系列，路人甲Java!
[1565600416645,1565600421645,take耗时:5000],Thread-0

main方法中启动了一个线程，调用queue.put方法向队列中丢入一条数据，调用的时候产生了阻塞，从输出结果中可以看出，直到take方法被调用时，put方法才从阻塞状态恢复正常。

DelayQueue

DelayQueue是一个支持延时获取元素的无界阻塞队列，里面的元素全部都是“可延期”的元素，列头的元素是最先“到期”的元素，如果队列里面没有元素到期，是不能从列头获取元素的，哪怕有元素也不行，也就是说只有在延迟期到时才能够从队列中取元素。

需求：还是推送的业务，有时候我们希望早上9点或者其他指定的时间进行推送，如何实现呢？此时DelayQueue就派上用场了。

我们先看一下DelayQueue类的声明：

public class DelayQueue<E extends Delayed> extends AbstractQueue<E>
    implements BlockingQueue<E>

元素E需要实现接口Delayed，我们看一下这个接口的代码：

public interface Delayed extends Comparable<Delayed> {
    long getDelay(TimeUnit unit);
}

Delayed继承了Comparable接口，这个接口是用来做比较用的，DelayQueue内部使用PriorityQueue来存储数据的，PriorityQueue是一个优先级队列，丢入的数据会进行排序，排序方法调用的是Comparable接口中的方法。下面主要说一下Delayed接口中的getDelay方法：此方法在给定的时间单位内返回与此对象关联的剩余延迟时间。

对推送我们再做一下处理，让其支持定时发送（定时在将来某个时间也可以说是延迟发送），代码如下：

package com.itsoku.chat25;

import java.util.Calendar;
import java.util.concurrent.DelayQueue;
import java.util.concurrent.Delayed;
import java.util.concurrent.PriorityBlockingQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * 跟着阿里p7学并发，微信公众号：javacode2018
 */
public class Demo4 {

    //推送信息封装
    static class Msg implements Delayed {
        //优先级，越小优先级越高
        private int priority;
        //推送的信息
        private String msg;
        //定时发送时间，毫秒格式
        private long sendTimeMs;

        public Msg(int priority, String msg, long sendTimeMs) {
            this.priority = priority;
            this.msg = msg;
            this.sendTimeMs = sendTimeMs;
        }

        @Override
        public String toString() {
            return "Msg{" +
                    "priority=" + priority +
                    ", msg='" + msg + '\'' +
                    ", sendTimeMs=" + sendTimeMs +
                    '}';
        }

        @Override
        public long getDelay(TimeUnit unit) {
            return unit.convert(this.sendTimeMs - Calendar.getInstance().getTimeInMillis(), TimeUnit.MILLISECONDS);
        }

        @Override
        public int compareTo(Delayed o) {
            if (o instanceof Msg) {
                Msg c2 = (Msg) o;
                return Integer.compare(this.priority, c2.priority);
            }
            return 0;
        }
    }

    //推送队列
    static DelayQueue<Msg> pushQueue = new DelayQueue<Msg>();

    static {
        //启动一个线程做真实推送
        new Thread(() -> {
            while (true) {
                Msg msg;
                try {
                    //获取一条推送消息，此方法会进行阻塞，直到返回结果
                    msg = pushQueue.take();
                    //此处可以做真实推送
                    long endTime = System.currentTimeMillis();
                    System.out.println(String.format("定时发送时间：%s,实际发送时间：%s,发送消息:%s", msg.sendTimeMs, endTime, msg));
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
    }

    //推送消息，需要发送推送消息的调用该方法，会将推送信息先加入推送队列
    public static void pushMsg(int priority, String msg, long sendTimeMs) throws InterruptedException {
        pushQueue.put(new Msg(priority, msg, sendTimeMs));
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 5; i >= 1; i--) {
            String msg = "一起来学java高并发,第" + i + "天";
            Demo4.pushMsg(i, msg, Calendar.getInstance().getTimeInMillis() + i * 2000);
        }
    }
}

输出：

定时发送时间：1565603357198,实际发送时间：1565603357198,发送消息:Msg{priority=1, msg='一起来学java高并发,第1天', sendTimeMs=1565603357198}
定时发送时间：1565603359198,实际发送时间：1565603359198,发送消息:Msg{priority=2, msg='一起来学java高并发,第2天', sendTimeMs=1565603359198}
定时发送时间：1565603361198,实际发送时间：1565603361199,发送消息:Msg{priority=3, msg='一起来学java高并发,第3天', sendTimeMs=1565603361198}
定时发送时间：1565603363198,实际发送时间：1565603363199,发送消息:Msg{priority=4, msg='一起来学java高并发,第4天', sendTimeMs=1565603363198}
定时发送时间：1565603365182,实际发送时间：1565603365183,发送消息:Msg{priority=5, msg='一起来学java高并发,第5天', sendTimeMs=1565603365182}

可以看出时间发送时间，和定时发送时间基本一致，代码中Msg需要实现Delayed接口，重点在于getDelay方法，这个方法返回剩余的延迟时间，代码中使用this.sendTimeMs减去当前时间的毫秒格式时间，得到剩余延迟时间。

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。

LinkedTransferQueue类继承自AbstractQueue抽象类，并且实现了TransferQueue接口：

public interface TransferQueue<E> extends BlockingQueue<E> {
    // 如果存在一个消费者已经等待接收它，则立即传送指定的元素，否则返回false，并且不进入队列。
    boolean tryTransfer(E e);
    // 如果存在一个消费者已经等待接收它，则立即传送指定的元素，否则等待直到元素被消费者接收。
    void transfer(E e) throws InterruptedException;
    // 在上述方法的基础上设置超时时间
    boolean tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException;
    // 如果至少有一位消费者在等待，则返回true
    boolean hasWaitingConsumer();
    // 获取所有等待获取元素的消费线程数量
    int getWaitingConsumerCount();
}

再看一下上面的这些方法，transfer(E e)方法和SynchronousQueue的put方法类似，都需要等待消费者取走元素，否者一直等待。其他方法和ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue中的方法类似。

总结

1. 重点需要了解BlockingQueue中的所有方法，以及他们的区别
2. 重点掌握ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、PriorityBlockingQueue、DelayQueue的使用场景
3. 需要处理的任务有优先级的，使用PriorityBlockingQueue
4. 处理的任务需要延时处理的，使用DelayQueue

java高并发系列目录

1. 第1天:必须知道的几个概念
2. 第2天:并发级别
3. 第3天:有关并行的两个重要定律
4. 第4天:JMM相关的一些概念
5. 第5天:深入理解进程和线程
6. 第6天:线程的基本操作
7. 第7天:volatile与Java内存模型
8. 第8天:线程组
9. 第9天：用户线程和守护线程
10. 第10天:线程安全和synchronized关键字
11. 第11天:线程中断的几种方式
12. 第12天JUC:ReentrantLock重入锁
13. 第13天:JUC中的Condition对象
14. 第14天:JUC中的LockSupport工具类，必备技能
15. 第15天：JUC中的Semaphore（信号量）
16. 第16天：JUC中等待多线程完成的工具类CountDownLatch，必备技能
17. 第17天：JUC中的循环栅栏CyclicBarrier的6种使用场景
18. 第18天：JAVA线程池，这一篇就够了
19. 第19天：JUC中的Executor框架详解1
20. 第20天：JUC中的Executor框架详解2
21. 第21天：java中的CAS，你需要知道的东西
22. 第22天：JUC底层工具类Unsafe，高手必须要了解
23. 第23天：JUC中原子类，一篇就够了
24. 第24天：ThreadLocal、InheritableThreadLocal（通俗易懂）

java高并发系列连载中，总计估计会有四五十篇文章。

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