阻塞队列--BlockingQueue

概述

阻塞队列是一个支持两个附加操作的队列。这两个附加的操作支持阻塞的插入和移除方法。

1. 支持阻塞的插入方法：当队列满时，队列会阻塞插入元素的线程，直到队列不满

2. 支持阻塞的移除方法：当队列为空时，获取元素的线程会等待队列变为非空。

阻塞队列适用与生产者和消费者的场景。在阻塞队列不可用时（满了或者为空），这两个附件操作提供了4中处理方式：抛出异常，返回特殊值、一直阻塞、超时退出

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(e)	take()	offer(e,time,unit)
检查方法	element()	peek(e)	不可用	不可用

1.抛出异常：当队列满时，如果再往队列添加元素，会抛出IllegalStateException异常。当队列为空时，如果从队列里获取元素，会抛出NoSuchElementException

2. 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。

3. 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。当队列为空时，如果消费者线程从队列里take元素，队列会阻塞消费线程，直到队列不为空。

4. 超时推出：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，如果超过了指定时间，生产者线程就会退出。

注意，如果阻塞队列是无界的，那么队列不可能会出现满的情况，所以使用put或者offer方法永远不会被阻塞，而且使用offer方法时，永远返回true

JDK7提供的7个阻塞队列：

ArrayBlockingQueue：一个由数组结构组成的有界阻塞队列

LinkedBlockingQueue：一个有链表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：一个有链表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

ArrayBlockingQueue

默认情况下是不保证线程公平的访问队列，即当队列可用时，阻塞的线程都可以加入到争夺访问队列的资格，有可能先阻塞的线程最后才访问到队列。为了保证公平性，通常会降低吞吐量。

/**
*capacity 队列的容量
*fair 是否公平性
**/
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
if (capacity <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
this.items = new Object[capacity];
lock = new ReentrantLock(fair);//可重入锁
notEmpty = lock.newCondition();
notFull =  lock.newCondition();
}

LinkedBlockingQueue

默认和最大长度都为Integer.MAX_VALUE。按照先进先出的原则对元素排序。

PriorityBlockingQueue

支持优先级的无界阻塞队列。默认情况下元素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。但是不保证通优先级元素的顺序。

DelayQueue

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，才能从队列中提前元素。

应用场景：

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。

如何实现Delayed接口

可以参考ScheduledThreadPoolExecutor里的ScheduledFutureTask类的实现：

第一步：在对象创建的时候，初始化基本数据。使用time记录当前对象延迟到什么时候可以使用，使用sequenceNumber来标识元素在队列中的先后顺序：

ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns, long period) {
super(r, result);
this.time = ns;
this.period = period;
this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement();
}

第二步：实例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

public long getDelay(TimeUnit unit) {
return unit.convert(time - now(), TimeUnit.NANOSECONDS);
}

自己设计的时候最好使用纳秒！当time小于当前时间时，会返回负数

第三部：实现compareTo方法来指定元素的顺序。

public int compareTo(Delayed other) {
if (other == this) // compare zero ONLY if same object
return 0;
if (other instanceof ScheduledFutureTask) {
ScheduledFutureTask<?> x = (ScheduledFutureTask<?>)other;
long diff = time - x.time;
if (diff < 0)
return -1;
else if (diff > 0)
return 1;
else if (sequenceNumber < x.sequenceNumber)
return -1;
else
return 1;
}
long d = (getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) -
other.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS));
return (d == 0) ? 0 : ((d < 0) ? -1 : 1);
}

如何实现延时阻塞队列

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，则阻塞当前线程。

public RunnableScheduledFuture take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
for (;;) {
RunnableScheduledFuture first = queue[0];
if (first == null)
available.await();
else {
long delay = first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS);
if (delay <= 0)
return finishPoll(first);
else if (leader != null)
available.await();
else {
Thread thisThread = Thread.currentThread();
leader = thisThread;
try {
available.awaitNanos(delay);
} finally {
if (leader == thisThread)
leader = null;
}
}
}
}
} finally {
if (leader == null && queue[0] != null)
available.signal();
lock.unlock();
}
}

leader是一个等待获取队列头部元素的线程。如果leader不等于空，说明已经有线程在等待获取队列的头元素。所以，使用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。

SynchronousQueue

SynchronousQueue是一个不存储元素的阻塞队列。每一个put操作都必须等待下一个take操作，否则不能继续添加元素。支持公平访问队列，默认为非公平策略。

SynchronousQueue适合传递性场景，负责把生产线程处理的数据直接传递给消费者。它的吞吐量高于LinkedBlockingQueue和ArrayBlockingQueue，因为不需要缓存。

LinkedTransferQueue

LinkedTransferQueue是一个有链表组成的无界阻塞TransferQueue队列。相比其他阻塞队列，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()方法或者带时间限制的poll()方法），transfer方法可以把生产者传入的元素立刻传输到消费者。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。

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。

LinkedBlockingDeque

LinkedBlockingDeque是一个由链表结构组成的双向阻塞队列，即可以从队列的两端插入和移除元素。以其他阻塞队列相比，多了addFirst、addLast、offerFirst、offerLast、peekFirst和peekLast等方法。以First结尾的方法，表示插入或者获取或者移除队列的第一个元素。以Last结尾的表示插入、获取或者移除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等同与removeFirst，但是take方法等同与takeFirst。因此使用时，还是使用带First或者Last后缀的方法，比较清楚。