【Java多线程】阻塞队列

阻塞队列

阻塞队列（BlockingQueue）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，即针对一个有界队列，当前队列满时，添加元素的操作会被阻塞；当前队列空时，从队列中获取元素的操作也会被阻塞。

• 1、支持阻塞的插入方法：意思是当队列满时，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：意思是在队列为空时，获取元素的线程会等待队列变为非空。

阻塞队列常用于生产者和消费者的场景，生产者是向队列里添加元素的线程，消费者是从队列里取元素的线程。阻塞队列就是生产者用来存放元素、消费者用来获取元素的容器。

在阻塞队列不可用时，这两个附加操作提供了4种处理方式：

• 抛出异常：是指当阻塞队列满时候，再往队列里插入元素，会抛出 IllegalStateException("Queue full") 异常。当队列为空时，从队列里获取元素时会抛出 NoSuchElementException 异常。
• 返回特殊值：插入方法会返回是否成功，成功则返回 true。移除方法，则是从队列里拿出一个元素，如果没有则返回 null。
• 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，直到拿到数据，或者响应中断退出。当队列空时，消费者线程试图从队列里 take 元素，队列也会阻塞消费者线程，直到队列可用。
• 超时退出：当阻塞队列满时，队列会阻塞生产者线程一段时间，如果超过一定的时间，生产者线程就会退出。

如果是无界阻塞队列，队列不可能会出现满的情况，所以使用put或offer方法永远不会被阻塞，而且使用offer方法时，该方法永远返回true。

常用的阻塞队列

JDK7 提供了 7 个阻塞队列。分别是：

• ArrayBlockingQueue ：一个由数组结构组成的有界阻塞队列。
• LinkedBlockingQueue ：一个由链表结构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：一个由链表结构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

ArrayBlockingQueue是一个用数组实现的有界阻塞队列。此队列按照先进先出（FIFO）的原则对元素进行排序。

/** The queued items */
final Object[] items;

/** items index for next take, poll, peek or remove */
int takeIndex;

/** items index for next put, offer, or add */
int putIndex;

/** Number of elements in the queue */
int count;

• items：一个Object的数组。
• tackIndex：出队列的下标。
• putIndex：入队列的下标。
• count：队列中元素的数量。

ArrayBlockingQueue 是一个用数组实现的有界阻塞队列。此队列按照先进先出（FIFO）的原则对元素进行排序。默认情况下不保证访问者公平的访问队列，所谓公平访问队列是指阻塞的所有生产者线程或消费者线程，当队列可用时，可以按照阻塞的先后顺序访问队列，即先阻塞的生产者线程，可以先往队列里插入元素，先阻塞的消费者线程，可以先从队列里获取元素。通常情况下为了保证公平性会降低吞吐量。我们可以使用以下代码创建一个公平的阻塞队列。

ArrayBlockingQueue fairQueue = new  ArrayBlockingQueue(1000,true);

• 查看ArrayBlockingQueue 的构造函数：

/**
 * Creates an {@code ArrayBlockingQueue} with the given (fixed)
 * capacity and default access policy.
 *
 * @param capacity the capacity of this queue
 * @throws IllegalArgumentException if {@code capacity < 1}
 */
public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
    this(capacity, false);
}

/**
 * Creates an {@code ArrayBlockingQueue} with the given (fixed)
 * capacity and the specified access policy.
 *
 * @param capacity the capacity of this queue
 * @param fair if {@code true} then queue accesses for threads blocked
 *        on insertion or removal, are processed in FIFO order;
 *        if {@code false} the access order is unspecified.
 * @throws IllegalArgumentException if {@code capacity < 1}
 */
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();
}

• 设置ReentrantLock的锁模式为公平锁：

/**
 * Creates an instance of {@code ReentrantLock} with the
 * given fairness policy.
 *
 * @param fair {@code true} if this lock should use a fair ordering policy
 */
public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue 是一个用链表实现的有界阻塞队列。此队列的默认和最大长度为 Integer.MAX_VALUE。此队列按照先进先出的原则对元素进行排序。

/**
 * Linked list node class
 */
static class Node<E> {
    E item;

    /**
     * One of:
     * - the real successor Node
     * - this Node, meaning the successor is head.next
     * - null, meaning there is no successor (this is the last node)
     */
    Node<E> next;

    Node(E x) { item = x; }
}

ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue区别

1、底层实现不同。

• ArrayBlockingQueue 底层使用数组来维护队列，是一个循环数组。
• LinkedBlockingQueue 底层使用链表来维护队列，在添加和删除队列中的元素的时候，会创建和销毁节点对象，在高并发和大量数据的时候，GC压力很大。

2、锁的方式不同。

• ArrayBlockingQueue 获取数据和添加数据都是使用同一个锁对象，这样添加和获取就不是一个并发的过程，不过，在ArrayBlockingQueue 中使用Condition的等待/通知机制，这样使得ArrayBlockingQueue的数据写入和获取操作已经足够轻巧，以至于引入独立的锁机制，除了给代码带来额外的复杂性外，其在性能上完全占不到任何便宜。
• LinkedBlockingQueue 获取数据和添加数据使用不同的锁对象。

ArrayBlockingQueue能够实现锁分离吗？

• 答：不能。原因是因为ArrayBlockingQueue底层是循环数组，位置会从最后一个位置返回到第一个位置，这样的操作没有办法进行原子化。

LinkedBlockingQueue为什么需要两把锁，一把锁行不行？

• 答：是可以的，不过使用一把锁的效率会远远低于两把锁。

PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是一个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。继承Comparable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。需要注意的是不能保证同优先级元素的顺序。

例：学生实体类存入PriorityBlockingQueue 队列按照年龄升序排序。

public class TestDemo {
    public static class Student implements Comparable<Student> {
        private String name;
        private int age;

        public Student(String name, int age) {
            this.name = name;
            this.age = age;
        }

        public String getName() {
            return name;
        }

        public void setName(String name) {
            this.name = name;
        }

        public int getAge() {
            return age;
        }

        public void setAge(int age) {
            this.age = age;
        }

        @Override
        public int compareTo(Student o) {
            return this.age > o.age ? 1 : this.age < o.age ? -1 : 0;
        }

        @Override
        public String toString() {
            return "Student{" +
                    "name='" + name + '\'' +
                    ", age=" + age +
                    '}';
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        PriorityBlockingQueue<Student> queue = new PriorityBlockingQueue<>();
        queue.put(new Student("小明", 12));
        queue.put(new Student("小张", 23));
        queue.put(new Student("小王", 11));
        queue.put(new Student("小天", 45));

        try {
            for (; ; ) {
                System.out.println(queue.take().toString());
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

• 运行结果：

Student{name='小王', age=11}
Student{name='小明', age=12}
Student{name='小张', age=23}
Student{name='小天', age=45}

DelayQueue

DelayQueue是一个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取元素。

DelayQueue，延时阻塞队列，DelayQueue中的元素只有当前指令的延时时间到了，才能从队列中获取到元素，DelayQueue也是一个无界队列，插入数据的操作不会被阻塞的，只有获取数据的操作才会被阻塞。

DelayQueue非常有用，可以将DelayQueue运用在以下应用场景：

• 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中获取元素时，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，比如TimerQueue就是使用DelayQueue实现的。

实现DelayQueue的三个步骤：

• 第一步：继承Delayed接口。
• 第二步：实现getDelay(TimeUnit unit)，该方法返回当前元素还需要延时多长时间，单位是纳秒。
• 第三步：实现compareTo()方法来指定元素的顺序。

class Test implements Delayed{
    private long time;

    public Test(long time, TimeUnit unit){
        this.time = System.currentTimeMillis() + unit.toMillis(time);
    }
    @Override
    public long getDelay(TimeUnit unit) {
        return time - System.currentTimeMillis();
    }

    @Override
    public int compareTo(Delayed o) {
        long diff = this.time - ((Test)o).time;
        if(diff <= 0){
            return -1;
        }else{
            return 1;
        }
    }
}

public class TestDemo {
    public static void main(String[] args) { 
        Test test1 = new Test(5, TimeUnit.SECONDS);
        Test test2 = new Test(10, TimeUnit.SECONDS);
        Test test3 = new Test(15, TimeUnit.SECONDS);
        DelayQueue<Test> queue = new DelayQueue<>();
        queue.put(test1);
        queue.put(test2);
        queue.put(test3);
        System.out.println("begin time "+ LocalDateTime.now().format(DateTimeFormatter.ISO_LOCAL_DATE_TIME));
        for(int i=0; i<3; i++){
            try {
                Test test = queue.take();
                System.out.println("current time "+LocalDateTime.now().format(DateTimeFormatter.ISO_LOCAL_DATE_TIME));
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

SynchronousQueue

SynchronousQueue是一个不存储元素的阻塞队列。每一个put操作必须等待一个take操作，否则不能继续添加元素。它支持公平访问队列。默认情况下线程采用非公平性策略访问队列。使用以下构造方法可以创建公平性访问的SynchronousQueue，如果设置为true，则等待的线程会采用先进先出的顺序访问队列。

SynchronousQueue不存储元素的队列，每一个put操作必须等待一个take操作，都则不能继续添加元素。（天然实现了生产者消费者模型，负责额生产者线程处理的数据直接传递给消费者线程，队列本身不存放任何元素）

SynchronousQueue<E> queue = new SynchronousQueue<E>(true);

• 构造函数：

/**
 * Creates a {@code SynchronousQueue} with nonfair access policy.
 */
public SynchronousQueue() {
    this(false);
}

/**
 * Creates a {@code SynchronousQueue} with the specified fairness policy.
 *
 * @param fair if true, waiting threads contend in FIFO order for
 *        access; otherwise the order is unspecified.
 */
public SynchronousQueue(boolean fair) {
    transferer = fair ? new TransferQueue<E>() : new TransferStack<E>();
}

SynchronousQueue可以看成是一个传球手，负责把生产者线程处理的数据直接传递给消费者线程。队列本身并不存储任何元素，非常适合传递性场景。SynchronousQueue的吞吐量高于LinkedBlockingQueue和ArrayBlockingQueue。

public class TestDemo {
    private static final SynchronousQueue<Integer> queue = new SynchronousQueue<>();
    public static void main(String[] args) {
        Thread putThread = new Thread("putThread"){
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("put start");
                try {
                    queue.put(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("put end");
            }
        };

        Thread takeThread = new Thread("takeThread"){
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("take start");
                try {
                    System.out.println("take from putThread "+queue.take());
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("take end");
            }
        };

        putThread.start();
        try {
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        takeThread.start();
    }
}

LinkedTransferQueue

LinkedTransferQueue是一个由链表结构组成的无界阻塞TransferQueue队列。相对于其他阻塞队列，LinkedTransferQueue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()方法或带时间限制的poll()方法时），transfer方法可以把生产者传入的元素立刻transfer（传输）给消费者。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。

对于带有时间限制的tryTransfer(E e，long timeout，TimeUnit unit)方法，试图把生产者传入的元素直接传给消费者，但是如果没有消费者消费该元素则等待指定的时间再返回，如果超时还没消费元素，则返回false，如果在超时时间内消费了元素，则返回true。

LinkedBlockingDeque

LinkedBlockingDeque是一个由链表结构组成的双向阻塞队列。所谓双向队列指的是可以从队列的两端插入和移出元素。双向队列因为多了一个操作队列的入口，在多线程同时入队时，也就减少了一半的竞争。相比其他的阻塞队列，LinkedBlockingDeque多了addFirst、addLast、offerFirst、offerLast、peekFirst和peekLast等方法，以First单词结尾的方法，表示插入、获取（peek）或移除双端队列的第一个元素。以Last单词结尾的方法，表示插入、获取或移除双端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等效于removeFirst。但是take方法却等同于takeFirst，不知道是不是JDK的bug，使用时还是用带有First和Last后缀的方法更清楚。在初始化LinkedBlockingDeque时可以设置容量防止其过度膨胀。另外，双向阻塞队列可以运用在“工作窃取”模式中。

阻塞的实现

ReentranLock + Condition 实现队列的阻塞，ReentranLock 是锁，Condition是条件状态，通过等待/通知机制，来实现线程之间的通信。

ReentranLock + Condition的等待/通知机制和Object的wait()与notify()是类似的，通过synchronized，在锁中使用wait()与notify()达到线程之间通信，在ReentranLock 的lock()和unlock()之间通过类似的await()和signal()达到线程之间的通信。

在阻塞队列中A调用put()方法的时候，如果队列已满，则A线程挂起，等待恢复，如果B线程调用take()后，消耗一个队列元素后，会通知put()方法中挂起的A线程，因为这个时候B线程已经消耗一个元素可以在向队列中添加元素。相反如果队列一空 B线程调用tack()方法会阻塞，当A线程调用put()调用后通知tack()方法中的B线程，有元素可以获取。这就是阻塞的实现过程。

下面查看ArrayBlockingQueue 源码来分析这一实现过程：

• ArrayBlockingQueue的成员变量。
  • lock 是锁。
  • notEmpty和notFull是表示不为空和不为满的Condition状态。

/** Main lock guarding all access */
final ReentrantLock lock;

/** Condition for waiting takes */
private final Condition notEmpty;

/** Condition for waiting puts */
private final Condition notFull;

• 构造函数初始化，默认使用非公平锁。

/**
 * Creates an {@code ArrayBlockingQueue} with the given (fixed)
 * capacity and default access policy.
 *
 * @param capacity the capacity of this queue
 * @throws IllegalArgumentException if {@code capacity < 1}
 */
public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
    this(capacity, false);
}

/**
 * Creates an {@code ArrayBlockingQueue} with the given (fixed)
 * capacity and the specified access policy.
 *
 * @param capacity the capacity of this queue
 * @param fair if {@code true} then queue accesses for threads blocked
 *        on insertion or removal, are processed in FIFO order;
 *        if {@code false} the access order is unspecified.
 * @throws IllegalArgumentException if {@code capacity < 1}
 */
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();
}

• 查看put()方法。

/**
 * Inserts the specified element at the tail of this queue, waiting
 * for space to become available if the queue is full.
 *
 * @throws InterruptedException {@inheritDoc}
 * @throws NullPointerException {@inheritDoc}
 */
public void put(E e) throws InterruptedException {
    //非空校验
    checkNotNull(e);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    //加锁
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        //循环判断队列是否已满
        while (count == items.length)
            //获得lock锁的对象挂起
            notFull.await();
        //队列不满，添加队列
        enqueue(e);
    } finally {
        //释放锁
        lock.unlock();
    }
}

• 查看enqueue()方法。

/**
 * Inserts element at current put position, advances, and signals.
 * Call only when holding lock.
 */
private void enqueue(E x) {
    // assert lock.getHoldCount() == 1;
    // assert items[putIndex] == null;
    final Object[] items = this.items;
    items[putIndex] = x;
    if (++putIndex == items.length)
        putIndex = 0;
    count++;
    /**
     * 在take()方法中，如果队列为空，调用notEmpty.await()
     * 挂起当前take中的线程，当put()方法中添加元素成功后，
     * 调用notEmpty.signal()通知take()方法中挂起的线程
     */
    notEmpty.signal();
}

• 查看take()方法。

public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    //加锁
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        //循环判断 队列是否为空
        while (count == 0)
            //挂起线程
            notEmpty.await();
        //获取队列头部元素
        return dequeue();
    } finally {
        //释放锁
        lock.unlock();
    }
}

• 查看dequeue()方法。

/**
 * Extracts element at current take position, advances, and signals.
 * Call only when holding lock.
 */
private E dequeue() {
    // assert lock.getHoldCount() == 1;
    // assert items[takeIndex] != null;
    final Object[] items = this.items;
    @SuppressWarnings("unchecked")
    E x = (E) items[takeIndex];
    items[takeIndex] = null;
    if (++takeIndex == items.length)
        takeIndex = 0;
    count--;
    if (itrs != null)
        itrs.elementDequeued();
    //通知 notFull.await()
    notFull.signal();
    return x;
}