阻塞队列分析

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前言

在分析多线程的文章中，我们知道了Executors是通过阻塞队列接受任务。例如 FixedThreadPool 使用的是 LinkedBlockingQueue, CachedThreadPool 使用的是 SynchronousQueue。阻塞队列的基类是 BlockingQueue，他的实现类如下所示

BlockingQueue的api我们需要重点关注下，理解了这些api的作用，对于实现类的分析会轻松很多。

类型	api名称	是否阻塞	简述
放入数据	offer(anObject)	否	将anObject加到BlockingQueue里,即如果BlockingQueue可以容纳,则返回true,否则返回false
	offer(E o, long timeout, TimeUnit unit)	否	可以设定等待的时间，如果在指定的时间内，还不能往队列中加入BlockingQueue，则返回失败
	put(anObject)	是	把anObject加到BlockingQueue里,如果BlockQueue没有空间,则调用此方法的线程被阻断直到BlockingQueue里面有空间再继续
获取数据	poll(time)	否	取走BlockingQueue里排在首位的对象,若不能立即取出,则可以等time参数规定的时间,取不到时返回null
	poll(long timeout, TimeUnit unit)	否	同上
	take()	是	取走BlockingQueue里排在首位的对象,若BlockingQueue为空,阻断进入等待状态直到BlockingQueue有新的数据被加入
	drainTo()	否	一次性从BlockingQueue获取所有可用的数据对象（还可以指定获取数据的个数），通过该方法，可以提升获取数据效率；不需要多次分批加锁或释放锁

重点关注表中的阻塞类型的方法，他们是阻塞队列的核心。接下来讲述几个常用的阻塞队列的存取数据api。

ArrayBolckingQueue

在ArrayBlockingQueue内部，维护了一个定长数组，以便缓存队列中的数据对象。我们先看offer方法

我们再看下 enqueue

以上是非阻塞的存放。我们再看阻塞版本的存放

可以看到，两种方式的差别其实很小，一个是阻塞一段时间后直接返回false，一个是无限期的阻塞。我们再看下取数据的api。

再看下dequeue

以上就是ArrayBlockingQunue的具体分析。

LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue是基于链表的阻塞队列，首先需要注意的是LinkedBlockingQueue是可以无界的,当你不指定容量时他默认的大小是 Integer.MAX_VALUE

链表通过内部的Node来实现，可以看出这是个单项链表。

接下来，我们再看下具体的api

我们看下 enqueue，就是一个简单的链表操作。

put的操作和offer相似，这里就省略了，再看下poll

看下dequeue，把头结点取出来，把下个节点设为头结点

以上就是LinkedBlockingQueue。

通过上述两种队列的讲解，我们大概知道了队列存取元素的大致过程，其他队列和上述两种队列的api大致相同，所以接下重点讲述队列的大致特点，不再对api进行详细的描述。

PriorityQueue

PriorityQueue并不是阻塞队列，在这里讲述是因为，接下来的几个队列都是基于他的扩展。PriorityQueue和ArrayBlockingQueue一样，内部维护了一个定长数组，如果不指定长度，默认长度就是11。PriorityQueue是一个优先级队列，元素的顺序并不是按照插入顺序而来，而是按照元素的大小来判断。默认的比较器是从小到大，即队首的元素总是最小的。当然。可以自定义比较器。

PriorityQueue的优先级通过二叉小顶堆实现，他的逻辑结构是一棵完全二叉树，存储结构其实是一个数组。逻辑结构层次遍历的结果刚好是一个数组。这里借鉴网上的一幅图

我们看下添加元素的过程，这里重点是siftUp方法

由上图可以看出，PriorityQunue 最关键的便是比较-交换步骤。添加元素都是先放到最后，然后再与自己的父节点比较

再看下获取元素的步骤

这里还有种情况，就是方法，删除中间的某个元素，这就是上述两种变化的结合，首先删除 i 下标的元素，然后把末尾的元素放置到 i 坐标，先向下比较看看，再向上比较。具体的代码这里就省略了。

以上就是PriorityQueue的具体分析。

DelayQueue

DelayQueue 是延迟阻塞队列，队列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是一个没有大小限制的队列，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。

DelayQueue内部通过PriorityQueue实现延迟的权重排序，其比较器是 Comparable<Delayed>

主要看存元素的api

这里关键的是

first.getDelay(NANOSECONDS)>0

所以我们在实现 Delayed的时候实现类里面一定得要有时间可以记录到什么过期，如果过期了一定要返回负数

DelayQueue平时比较少见，但是我们可以用它做一些很灵活的事情，例如缓存过期，空闲连接去除。按照DelayQueue的特性，队首的元素总是最先过期的，我们可以用一个后台线程监听DelayQueue的队首元素。

这里大家可以参考下用 DelayQueue实现一个过期缓存清除的功能。

PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是优先级阻塞队列，他和我们上文讲的PriorityQueue非常相似。但是呢他又多了点阻塞的东西，准确来说是多了半点。因为在做put操作的时候是不会有阻塞的

就算我们给他一个初始大小，但是如果容量不够还会去扩容

所以我们在往里面put的时候要注意，万一生产者一直在生产，消费者挂了，那么内存很容易就会被耗尽

SynchronousQueue

在线程池里面，大家一定见到过这个队列。这是一个不直接存放元素的队列，他存储的实际上是他内置的Node。它生产产品（即put的时候），如果当前没有人想要消费产品(即当前没有线程执行take)，此生产线程必须阻塞，等待一个消费线程调用take操作，take操作将会唤醒该生产线程，同时消费线程会获取生产线程的产品。具体的流程我举个例子

步骤一，调用put线程，存储元素