Java编程的逻辑 (76) - 并发容器 - 各种队列
本节，我们来探讨Java并发包中的各种队列。Java并发包提供了丰富的队列类，可以简单分为：
- 无锁非阻塞并发队列：ConcurrentLinkedQueue和ConcurrentLinkedDeque
- 普通阻塞队列：基于数组的ArrayBlockingQueue，基于链表的LinkedBlockingQueue和LinkedBlockingDeque
- 优先级阻塞队列：PriorityBlockingQueue
- 延时阻塞队列：DelayQueue
- 其他阻塞队列：SynchronousQueue和LinkedTransferQueue
无锁非阻塞是这些队列不使用锁，所有操作总是可以立即执行，主要通过循环CAS实现并发安全，阻塞队列是指这些队列使用锁和条件，很多操作都需要先获取锁或满足特定条件，获取不到锁或等待条件时，会等待(即阻塞)，获取到锁或条件满足再返回。
这些队列迭代都不会抛出ConcurrentModificationException，都是弱一致的，后面就不单独强调了。下面，我们来简要探讨每类队列的用途、用法和基本实现原理。
无锁非阻塞并发队列
有两个无锁非阻塞队列：ConcurrentLinkedQueue和ConcurrentLinkedDeque，它们适用于多个线程并发使用一个队列的场合，都是基于链表实现的，都没有限制大小，是无界的，与ConcurrentSkipListMap类似，它们的size方法不是一个常量运算，不过这个方法在并发应用中用处也不大。
ConcurrentLinkedQueue实现了Queue接口，表示一个先进先出的队列，从尾部入队，从头部出队，内部是一个单向链表。ConcurrentLinkedDeque实现了Deque接口，表示一个双端队列，在两端都可以入队和出队，内部是一个双向链表。它们的用法类似于LinkedList，我们就不赘述了。
这两个类最基础的原理是循环CAS，ConcurrentLinkedQueue的算法基于一篇论文："Simple, Fast, and Practical Non-Blocking and Blocking Concurrent Queue Algorithms" (https://www.research.ibm.com/people/m/michael/podc-1996.pdf)，ConcurrentLinkedDeque扩展了ConcurrentLinkedQueue的技术，但它们的具体实现都非常复杂，我们就不探讨了。
普通阻塞队列
除了刚介绍的两个队列，其他队列都是阻塞队列，都实现了接口BlockingQueue，在入队/出队时可能等待，主要方法有：
//入队，如果队列满，等待直到队列有空间 void put(E e) throws InterruptedException; //出队，如果队列空，等待直到队列不为空，返回头部元素 E take() throws InterruptedException; //入队，如果队列满，最多等待指定的时间，如果超时还是满，返回false boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException; //出队，如果队列空，最多等待指定的时间，如果超时还是空，返回null E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
普通阻塞队列是常用的队列，常用于生产者/消费者模式。
ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue都是实现了Queue接口，表示先进先出的队列，尾部进，头部出，而LinkedBlockingDeque实现了Deque接口，是一个双端队列。
ArrayBlockingQueue是基于循环数组实现的，有界，创建时需要指定大小，且在运行过程中不会改变，这与我们在容器类中介绍的ArrayDeque是不同的，ArrayDeque也是基于循环数组实现的，但是是无界的，会自动扩展。
LinkedBlockingQueue是基于单向链表实现的，在创建时可以指定最大长度，也可以不指定，默认是无限的，节点都是动态创建的。LinkedBlockingDeque与LinkedBlockingQueue一样，最大长度也是在创建时可选的，默认无限，不过，它是基于双向链表实现的。
内部，它们都是使用显式锁ReentrantLock和显式条件Condition实现的。
ArrayBlockingQueue的实现很直接，有一个数组存储元素，有两个索引表示头和尾，有一个变量表示当前元素个数，有一个锁保护所有访问，有两个条件，"不满"和"不空"用于协作，成员声明如下：
final Object[] items; int takeIndex; // 头 int putIndex; //尾 int count; //元素个数 final ReentrantLock lock; private final Condition notEmpty; private final Condition notFull;
实现思路与我们在72节实现的类似，就不赘述了。
与ArrayBlockingQueue类似，LinkedBlockingDeque也是使用一个锁和两个条件，使用锁保护所有操作，使用"不满"和"不空"两个条件，LinkedBlockingQueue稍微不同，因为它使用链表，且只从头部出队、从尾部入队，它做了一些优化，使用了两个锁，一个保护头部，一个保护尾部，每个锁关联一个条件。
优先级阻塞队列
普通阻塞队列是先进先出的，而优先级队列是按优先级出队的，优先级高的先出，我们在容器类中介绍过优先级队列PriorityQueue及其背后的数据结构堆。
PriorityBlockingQueue是PriorityQueue的并发版本，与PriorityQueue一样，它没有大小限制，是无界的，内部的数组大小会动态扩展，要求元素要么实现Comparable接口，要么创建PriorityBlockingQueue时提供一个Comparator对象。
与PriorityQueue的区别是，PriorityBlockingQueue实现了BlockingQueue接口，在队列为空时，take方法会阻塞等待。
另外，PriorityBlockingQueue是线程安全的，它的基本实现原理与PriorityQueue是一样的，也是基于堆，但它使用了一个锁ReentrantLock保护所有访问，使用了一个条件协调阻塞等待。
延时阻塞队列
延时阻塞队列DelayQueue是一种特殊的优先级队列，它也是无界的，它要求每个元素都实现Delayed接口，该接口的声明为：
public interface Delayed extends Comparable<Delayed> {
long getDelay(TimeUnit unit);
}
Delayed扩展了Comparable接口，也就是说，DelayQueue的每个元素都是可比较的，它有一个额外方法getDelay返回一个给定时间单位unit的整数，表示再延迟多长时间，如果小于等于0，表示不再延迟。
DelayQueue也是优先级队列，它按元素的延时时间出队，它的特殊之处在于，只有当元素的延时过期之后才能被从队列中拿走，也就是说，take方法总是返回第一个过期的元素，如果没有，则阻塞等待。
DelayQueue可以用于实现定时任务，我们看段简单的示例代码：
public class DelayedQueueDemo {
private static final AtomicLong taskSequencer = new AtomicLong(0);
static class DelayedTask implements Delayed {
private long runTime;
private long sequence;
private Runnable task;
public DelayedTask(int delayedSeconds, Runnable task) {
this.runTime = System.currentTimeMillis() + delayedSeconds * 1000;
this.sequence = taskSequencer.getAndIncrement();
this.task = task;
}
@Override
public int compareTo(Delayed o) {
if (o == this) {
return 0;
}
if (o instanceof DelayedTask) {
DelayedTask other = (DelayedTask) o;
if (runTime < other.runTime) {
return -1;
} else if (runTime > other.runTime) {
return 1;
} else if (sequence < other.sequence) {
return -1;
} else {
return 1;
}
}
throw new IllegalArgumentException();
}
@Override
public long getDelay(TimeUnit unit) {
return unit.convert(runTime - System.currentTimeMillis(),
TimeUnit.MICROSECONDS);
}
public Runnable getTask() {
return task;
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
DelayQueue<DelayedTask> tasks = new DelayQueue<>();
tasks.put(new DelayedTask(2, new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("execute delayed task");
}
}));
DelayedTask task = tasks.take();
task.getTask().run();
}
}
DelayedTask表示延时任务，只有延时过期后任务才会执行，任务按延时时间排序，延时一样的按照入队顺序排序。
内部，DelayQueue是基于PriorityQueue实现的，它使用一个锁ReentrantLock保护所有访问，使用一个条件available表示头部是否有元素，当头部元素的延时未到时，take操作会根据延时计算需睡眠的时间，然后睡眠，如果在此过程中有新的元素入队，且成为头部元素，则阻塞睡眠的线程会被提前唤醒然后重新检查。以上是基本思路，DelayQueue的实现有一些优化，以减少不必要的唤醒，具体我们就不探讨了。
其他阻塞队列
Java并发包中还有两个特殊的阻塞队列，SynchronousQueue和LinkedTransferQueue。
SynchronousQueue
SynchronousQueue与一般的队列不同，它不算一种真正的队列，它没有存储元素的空间，存储一个元素的空间都没有。它的入队操作要等待另一个线程的出队操作，反之亦然。如果没有其他线程在等待从队列中接收元素，put操作就会等待。take操作需要等待其他线程往队列中放元素，如果没有，也会等待。SynchronousQueue适用于两个线程之间直接传递信息、事件或任务。
LinkedTransferQueue
LinkedTransferQueue实现了TransferQueue接口，TransferQueue是BlockingQueue的子接口，但增加了一些额外功能，生产者在往队列中放元素时，可以等待消费者接收后再返回，适用于一些消息传递类型的应用中。TransferQueue的接口定义为：
public interface TransferQueue<E> extends BlockingQueue<E> {
//如果有消费者在等待(执行take或限时的poll)，直接转给消费者，
//返回true，否则返回false，不入队
boolean tryTransfer(E e);
//如果有消费者在等待，直接转给消费者，
//否则入队，阻塞等待直到被消费者接收后再返回
void transfer(E e) throws InterruptedException;
//如果有消费者在等待，直接转给消费者，返回true
//否则入队，阻塞等待限定的时间，如果最后被消费者接收，返回true
boolean tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException;
//是否有消费者在等待
boolean hasWaitingConsumer();
//等待的消费者个数
int getWaitingConsumerCount();
}
LinkedTransferQueue是基于链表实现的、无界的TransferQueue，具体实现比较复杂，我们就不探讨了。
小结
本节简要介绍了Java并发包中的各种队列，包括其基本概念和基本原理。
从73节到本节，我们介绍了Java并发包的各种容器，至此，就介绍完了，在实际开发中，应该尽量使用这些现成的容器，而非重新发明轮子。
Java并发包中还提供了一种方便的任务执行服务，使用它，可以将要执行的并发任务与线程的管理相分离，大大简化并发任务和线程的管理，让我们下一节来探讨。
