多线程系列(十三) -一文带你搞懂阻塞队列-优快云博客

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一、摘要

在之前的文章中，我们介绍了生产者和消费者模型的最基本实现思路，相信大家对它已经有一个初步的认识。

在 Java 的并发包里面还有一个非常重要的接口：BlockingQueue。

BlockingQueue是一个阻塞队列，更为准确的解释是：BlockingQueue是一个基于阻塞机制实现的线程安全的队列。通过它也可以实现生产者和消费者模型，并且效率更高、安全可靠，相比之前介绍的生产者和消费者模型，它可以同时实现生产者和消费者并行运行。

那什么是阻塞队列呢？

简单的说，就是当参数在入队和出队时，通过加锁的方式来避免线程并发操作时导致的数据异常问题。

在 Java 中，能对线程并发执行进行加锁的方式主要有synchronized和ReentrantLock，其中BlockingQueue采用的是ReentrantLock方式实现。

与此对应的还有非阻塞机制的队列，主要是采用 CAS 方式来控制并发操作，例如：ConcurrentLinkedQueue，这个我们在后面的文章再进行分享介绍。

今天我们主要介绍BlockingQueue相关的知识和用法，废话不多说了，进入正题！

二、BlockingQueue 方法介绍

打开BlockingQueue的源码，你会发现它继承自Queue，正如上文提到的，它本质是一个队列接口。

public interface BlockingQueue<E> extends Queue<E> {
   
	//...省略
}

关于队列，我们在之前的集合系列文章中对此有过深入的介绍，本篇就再次简单的介绍一下。

队列其实是一个数据结构，元素遵循先进先出的原则，所有新元素的插入，也被称为入队操作，会插入到队列的尾部；元素的移除，也被称为出队操作，会从队列的头部开始移除，从而保证先进先出的原则。

在Queue接口中，总共有 6 个方法，可以分为 3 类，分别是：插入、移除、查询，内容如下：

方法	描述
add(e)	插入元素，如果插入失败，就抛异常
offer(e)	插入元素，如果插入成功，就返回 true；反之 false
remove()	移除元素，如果移除失败，就抛异常
poll()	移除元素，如果移除成功，返回 true；反之 false
element()	获取队首元素，如果获取结果为空，就抛异常
peek()	获取队首元素，如果获取结果为空，返回空对象

因为BlockingQueue是Queue的子接口，了解Queue接口里面的方法，有助于我们对BlockingQueue的理解。

除此之外，BlockingQueue还单独扩展了一些特有的方法，内容如下：

方法	描述
put(e)	插入元素，如果没有插入成功，线程会一直阻塞，直到队列中有空间再继续
offer(e, time, unit)	插入元素，如果在指定的时间内没有插入成功，就返回 false；反之 true
take()	移除元素，如果没有移除成功，线程会一直阻塞，直到队列中新的数据被加入
poll(time, unit)	移除元素，如果在指定的时间内没有移除成功，就返回 false；反之 true
drainTo(Collection c, int maxElements)	一次性取走队列中的数据到 c 中，可以指定取的个数。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

分析源码，你会发现相比普通的Queue子类，BlockingQueue子类主要有以下几个明显的不同点：

1.元素插入和移除时线程安全：主要是通过在入队和出队时进行加锁，保证了队列线程安全，加锁逻辑采用ReentrantLock实现
2.支持阻塞的入队和出队方法：当队列满时，会阻塞入队的线程，直到队列不满；当队列为空时，会阻塞出队的线程，直到队列中有元素；同时支持超时机制，防止线程一直阻塞

三、BlockingQueue 用法详解

打开源码，BlockingQueue接口的实现类非常多，我们重点讲解一下其中的 5 个非常重要的实现类，分别如下表所示。

实现类	功能
`ArrayBlockingQueue`	基于数组的阻塞队列，使用数组存储数据，需要指定长度，所以是一个有界队列
`LinkedBlockingQueue`	基于链表的阻塞队列，使用链表存储数据，默认是一个无界队列；也可以通过构造方法中的`capacity`设置最大元素数量，所以也可以作为有界队列
`SynchronousQueue`	一种没有缓冲的队列，生产者产生的数据直接会被消费者获取并且立刻消费
`PriorityBlockingQueue`	基于优先级别的阻塞队列，底层基于数组实现，是一个无界队列
`DelayQueue`	延迟队列，其中的元素只有到了其指定的延迟时间，才能够从队列中出队

下面我们对以上实现类的用法，进行一一介绍。

3.1、ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue是一个基于数组的阻塞队列，初始化的时候必须指定队列大小，源码实现比较简单，采用的是ReentrantLock和Condition实现生产者和消费者模型，部分核心源码如下：

public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
        implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
   

	/** 使用数组存储队列中的元素 */
	final Object[] items;

	/** 使用独占锁ReetrantLock */
	final ReentrantLock lock;

	/** 等待出队的条件 */
	private final Condition notEmpty;

	/** 等待入队的条件 */
	private final Condition notFull;

	/** 初始化时，需要指定队列大小 */
	public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
   
        this(capacity, false);
    }

    /** 初始化时，也指出指定是否为公平锁， */
    public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
   
        if (capacity <= 0)
            throw new IllegalArgumentException();
        this.items = new Object[capacity];
        lock = new ReentrantLock(fair);
        notEmpty = lock.newCondition();
        notFull =  lock.newCondition();
    }

    /**入队操作*/
    public void put(E e) throws InterruptedException {
   
        checkNotNull(e);
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
   
            while (count == items.length)
                notFull.await();
            enqueue(e);
        } finally {
   
            lock.unlock();
        }
    }

    /**出队操作*/
    public E take() throws InterruptedException {
   
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
   
            while (count == 0)
                notEmpty.await();
            return dequeue();
        } finally {
   
            lock.unlock();
        }
    }
}

ArrayBlockingQueue采用ReentrantLock进行加锁，只有一个ReentrantLock对象，这意味着生产者和消费者无法并行运行。

我们看一个简单的示例代码如下：

public class Container {
   

    /**
     * 初始化阻塞队列
     */
    private final BlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<>(10);

    /**
     * 添加数据到阻塞队列
     * @param value
     */
    public void add(Integer value) {
   
        try {
   
            queue.put(value);
            System.out.println("生产者："+ Thread.currentThread().getName()+"，add：" + value);
        } catch (InterruptedException e) {
   
            e.printStackTrace();
        }
    }

    /**
     * 从阻塞队列获取数据
     */
    public void get() {
   
        try {
   
            Integer value = queue.take();
            System.out.println("消费者："+ Thread.currentThread().getName()+"，value：" + value);
        } catch (InterruptedException e) {
   
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

/**
 * 生产者
 */
public class Producer extends Thread {
   

    private Container container;

    public Producer(Container container) {
   
        this.container = container;