uitl.concurrent研究（八）——超越 Map、Collection、List 和 Set的Queue

本文介绍了Java中Queue接口，它为集合提供新基本接口，有更多操作方法。Queue成员排序多样，实现通常不允许插入null。介绍了非阻塞队列如PriorityQueue、ConcurrentLinkedQueue，以及阻塞队列如ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue等，还给出了使用示例。

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超越 Map、Collection、List 和 Set的Queue

一、版权说明：

本文部分文字摘自John Zukowski的《驯服 Tiger: 并发集合》（http://www-900.ibm.com/developerWorks/cn/java/j-tiger06164/index.shtml?ca=dwcn-newsletter-java）

二、内容简介：
Doug Lea 最初编写的 util.concurrent 包变成了 JSR-166 ，然后又变成了 J2SE 平台的 Tiger 版本。这个新库提供的是并发程序中通常需要的一组实用程序。如果对于优化对集合的多线程访问有兴趣，那么您就找对地方了。

在 Java 编程的早期阶段，位于 Oswego 市的纽约州立大学（SUNY）的一位教授决定创建一个简单的库，以帮助开发人员构建可以更好地处理多线程情况的应用程序。这并不是说用现有的库就不能实现，但是就像有了标准网络库一样，用经过调试的、可信任的库更容易自己处理多线程。在 Addision-Wesley 的一本相关书籍的帮助下，这个库变得越来越流行了。最终，作者 Doug Lea 决定设法让它成为 Java 平台的标准部分 —— JSR-166。

三、介绍 Queue 接口：
java.util 包为集合提供了一个新的基本接口：java.util.Queue。虽然肯定可以在相对应的两端进行添加和删除而将 java.util.List 作为队列对待，但是这个新的 Queue 接口提供了支持添加、删除和检查集合的更多方法，如下所示：

public boolean offer(Object element)

public Object remove()

public Object poll()

public Object element()

public Object peek()

Queue接口被设计为一个存放对象成员的集合。作为基本的Collection操作，Queue提供了一些新的添加、删除、检查操作。以下为它们的方法名和规则列表：

操作	方法名	规则
添加	offer(x)	尝试添加，成功返回true，不成功返回false
添加	add(x)	不成功抛出异常
删除	poll()	尝试删除，成功返回true，不成功返回false
删除	remove()	不成功抛出异常
检查	peek()	尝试返回Queue头的成员，如果Queue为null，则返回null
检查	element()	返回Queue头的成员，如果Queue为null，则抛出异常

四、Queue工作原理：

Queue的成员排序：Queue通常按照FIFO的方式排列成员，但不是必需的。比如优先级队列（priority queues）就是例外的队列，它按照比较器（comparator）来排列队列成员；还有按照队列成员本来的顺序排列；LIFO队列（后进先出队列）按照后进先出的顺序排列队列成员。无论使用哪种排列顺序，队列头的成员可以使用remove()或poll()方法删除。在FIFO队列中，新成员被添加到队列的尾部。其它种类的队列不能使用不同的存放方式。每种Queue实现必须提供它自己的排列属性。

offer方法添加一个成员，如果成功返回true；如果失败返回false。这与Collection.add方法不同之处在于：Collection.add遇到失败的情况将抛出unchecked异常。所以offer方法被设计用在视失败为正常的情况下，而不是发生异常，例如一个固定长度的Queue。

remove()和poll()方法删除对列头部的成员。至于哪个成员被删除则完全按照队列的排序规则，这依照实现各有不同。remove()和poll()方法的行为只有在队列为空情况下会有所不同：poll()方法返回null，而remove()方法将抛出异常。

element()和peek()方法只返回队列头的成员，而不删除任何成员。

Queue接口没有定义阻塞队列（blocking queue）的方法，而这个方法是并发编程时通常要用到的。阻塞队列这个方法将使成员等待知道队列中有空间，此方法被定义在edu.emory.mathcs.backport.java.util.concurrent.BlockingQueue接口中（一个扩展了Queue接口的接口）J。

Queue接口的实现通常不允许插入null成员到队列中，尽管一些例如LinkedList的实现不限制插入null。甚至在一些允许插入null的Queue接口的实现中，null不允许插入到Quqeue中，而且当队列不包含任何成员时poll()方法会返回null。

Queue接口的实现通常不定义基于成员的equals和hashCode方法，但从Object类继承了标识类的一些方法。因为在不同排序的队列中基于成员的equals不能很好的被定义。

使用基本队列
在 Tiger 中有两组 Queue 实现：实现了新 BlockingQueue 接口的和没有实现这个接口的。我将首先分析那些没有实现的。

在最简单的情况下，原来有的 java.util.LinkedList 实现已经改造成不仅实现 java.util.List 接口，而且还实现 java.util.Queue 接口。可以将集合看成这两者中的任何一种。清单 1 显示将 LinkedList 作为 Queue 使用的一种方法：

清单 1. 使用 Queue 实现

Queue queue = new LinkedList();

queue.offer("One");

queue.offer("Two");

queue.offer("Three");

queue.offer("Four");

// Head of queue should be One

System.out.println("Head of queue is: " + queue.poll());

再复杂一点的是新的 java.util.AbstractQueue 类。这个类的工作方式类似于 java.util.AbstractList 和 java.util.AbstractSet 类。在创建自定义集合时，不用自己实现整个接口，只是继承抽象实现并填入细节。使用 AbstractQueue 时，必须为方法 offer()、 poll() 和 peek() 提供实现。像 add() 和 addAll() 这样的方法修改为使用 offer()，而 clear() 和 remove() 使用 poll()。最后，element() 使用 peek()。当然可以在子类中提供这些方法的优化实现，但是不是必须这么做。而且，不必创建自己的子类，可以使用几个内置的实现，其中两个是不阻塞队列： PriorityQueue 和 ConcurrentLinkedQueue。

PriorityQueue 和 ConcurrentLinkedQueue 类在 Collection Framework 中加入两个具体集合实现。PriorityQueue 类实质上维护了一个有序列表。加入到 Queue 中的元素根据它们的天然排序（通过其java.util.Comparable 实现）或者根据传递给构造函数的 java.util.Comparator 实现来定位。将清单 2 中的 LinkedList 改变为 PriorityQueue 将会打印出 Four 而不是 One，因为按字母排列 —— 字符串的天然顺序 —— Four 是第一个。ConcurrentLinkedQueue 是基于链接节点的、线程安全的队列。并发访问不需要同步。因为它在队列的尾部添加元素并从头部删除它们，所以只要不需要知道队列的大小，ConcurrentLinkedQueue 对公共集合的共享访问就可以工作得很好。收集关于队列大小的信息会很慢，需要遍历队列。

使用阻塞队列
新的 java.util.concurrent 包在 Collection Framework 中可用的具体集合类中加入了 BlockingQueue 接口和五个阻塞队列类。假如不熟悉阻塞队列概念，它实质上就是一种带有一点扭曲的 FIFO 数据结构。不是立即从队列中添加或者删除元素，线程执行操作阻塞，直到有空间或者元素可用。BlockingQueue 接口的 Javadoc 给出了阻塞队列的基本用法，如清单 2 所示。生产者中的 put() 操作会在没有空间可用时阻塞，而消费者的 take() 操作会在队列中没有任何东西时阻塞。

清单 2. 使用 BlockingQueue

class Producer implements Runnable {

private final BlockingQueue queue;

Producer(BlockingQueue q) { queue = q; }

public void run() {

try {

while(true) { queue.put(produce()); }

} catch (InterruptedException ex) { ... handle ...}

}

Object produce() { ... }

}

class Consumer implements Runnable {

private final BlockingQueue queue;

Consumer(BlockingQueue q) { queue = q; }

public void run() {

try {

while(true) { consume(queue.take()); }

} catch (InterruptedException ex) { ... handle ...}

}

void consume(Object x) { ... }

}

class Setup {

void main() {

BlockingQueue q = new SomeQueueImplementation();

Producer p = new Producer(q);

Consumer c1 = new Consumer(q);

Consumer c2 = new Consumer(q);

new Thread(p).start();

new Thread(c1).start();

new Thread(c2).start();

}

五个队列所提供的各有不同：

ArrayBlockingQueue：一个由数组支持的有界队列。
LinkedBlockingQueue：一个由链接节点支持的可选有界队列。
PriorityBlockingQueue：一个由优先级堆支持的无界优先级队列。
DelayQueue：一个由优先级堆支持的、基于时间的调度队列。
SynchronousQueue：一个利用 BlockingQueue 接口的简单聚集（rendezvous）机制。

前两个类 ArrayBlockingQueue 和 LinkedBlockingQueue 几乎相同，只是在后备存储器方面有所不同，LinkedBlockingQueue 并不总是有容量界限。无大小界限的 LinkedBlockingQueue 类在添加元素时永远不会有阻塞队列的等待（至少在其中有 Integer.MAX_VALUE 元素之前不会）。

PriorityBlockingQueue 是具有无界限容量的队列，它利用所包含元素的 Comparable 排序顺序来以逻辑顺序维护元素。可以将它看作 TreeSet 的可能替代物。例如，在队列中加入字符串 One、Two、Three 和 Four 会导致 Four 被第一个取出来。对于没有天然顺序的元素，可以为构造函数提供一个 Comparator 。不过对 PriorityBlockingQueue 有一个技巧。从 iterator() 返回的 Iterator 实例不需要以优先级顺序返回元素。如果必须以优先级顺序遍历所有元素，那么让它们都通过 toArray() 方法并自己对它们排序，像 Arrays.sort(pq.toArray())。

新的 DelayQueue 实现可能是其中最有意思（也是最复杂）的一个。加入到队列中的元素必须实现新的 Delayed 接口（只有一个方法 —— long getDelay(java.util.concurrent.TimeUnit unit)）。因为队列的大小没有界限，使得添加可以立即返回，但是在延迟时间过去之前，不能从队列中取出元素。如果多个元素完成了延迟，那么最早失效/失效时间最长的元素将第一个取出。实际上没有听上去这样复杂。清单 3 演示了这种新的阻塞队列集合的使用：

清单 3. 使用 DelayQueue 实现

import edu.emory.mathcs.backport..*;

import edu.emory.mathcs.backport..concurrent.*;

public class Delay {

/**

* Delayed implementation that actually delays

static class NanoDelay implements Delayed {

long trigger;

NanoDelay(long i) {

trigger = Utils.nanoTime() + i;

}

public int compareTo(Object y) {

long i = trigger;

long j = ((NanoDelay)y).trigger;

if (i < j) return -1;

if (i > j) return 1;

return 0;

}

public boolean equals(Object other) {

return ((NanoDelay)other).trigger == trigger;

}

public boolean equals(NanoDelay other) {

return ((NanoDelay)other).trigger == trigger;

}

public long getDelay(TimeUnit unit) {

long n = trigger - Utils.nanoTime();

return TimeUnit.NANOSECONDS.convert(n,unit);

}

public long getTriggerTime() {

return trigger;

}

public String toString() {

return String.valueOf(trigger);

}

public static void main(String args[]) throws InterruptedException {

Random random = new Random();

DelayQueue queue = new DelayQueue();

for (int i=0; i < 5; i++) {

queue.add(new NanoDelay(random.nextInt(1000)));

}

long last = 0;

for (int i=0; i < 5; i++) {

NanoDelay delay = (NanoDelay)(queue.take());

long tt = delay.getTriggerTime();

System.out.println("Trigger time: " + tt);

if (i != 0) {

System.out.println("Delta: " + (tt - last));

}

last = tt;

}

这个例子首先是一个内部类 NanoDelay，它实质上将暂停给定的任意纳秒（nanosecond）数，这里利用了edu.emory.mathcs.backport.java.util.Utils的 nanoTime() 方法。然后 main() 方法只是将 NanoDelay 对象放到队列中并再次将它们取出来。如果希望队列项做一些其他事情，就需要在 Delayed 对象的实现中加入方法，并在从队列中取出后调用这个新方法。（请随意扩展 NanoDelay 以试验加入其他方法做一些有趣的事情。）显示从队列中取出元素的两次调用之间的时间差。如果时间差是负数，可以视为一个错误，因为永远不会在延迟时间结束后，在一个更早的触发时间从队列中取得项。

SynchronousQueue 类是最简单的。它没有内部容量。它就像线程之间的手递手机制。在队列中加入一个元素的生产者会等待另一个线程的消费者。当这个消费者出现时，这个元素就直接在消费者和生产者之间传递，永远不会加入到阻塞队列中。

清单4:使用DelayQueue实现生产者/消费者

package bjInfoTech.util.threadManage.concurrent.tryIt;

* DelayQueue_test.java

* Created on 2005年1月11日, 下午4:23

import edu.emory.mathcs.backport.java.util.concurrent.*;

import java.util.*;

/**

* 测试util.concurrent包的jsdk1.4版-backport-util-concurrent---DelayQueue

* @author 聪明的猪

public class DelayQueue_test {

private static DelayQueue Q=new DelayQueue();