Java中的阻塞队列

本文详细介绍了阻塞队列的概念、工作原理及Java中提供的多种阻塞队列类型,包括ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue等,并深入探讨了它们的具体实现细节。

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1. 什么是阻塞队列?

阻塞队列(BlockingQueue)是一个支持两个附加操作的队列。这两个附加的操作是:在队列为空时,获取元素的线程会等待队列变为非空。当队列满时,存储元素的线程会等待队列可用。阻塞队列常用于生产者和消费者的场景,生产者是往队列里添加元素的线程,消费者是从队列里拿元素的线程。阻塞队列就是生产者存放元素的容器,而消费者也只从容器里拿元素。

阻塞队列提供了四种处理方法:

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()take()poll(time,unit)
检查方法element()peek()不可用不可用
  • 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。

2. Java里的阻塞队列


ArrayBlockingQueue :一个由数组结构组成的有界阻塞队列。JDK7提供了7个阻塞队列。分别是

  • 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);

访问者的公平性是使用可重入锁实现的,代码如下:

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();
}

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。

PriorityBlockingQueue是一个支持优先级的无界队列。默认情况下元素采取自然顺序排列,也可以通过比较器comparator来指定元素的排序规则。元素按照升序排列。

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。我们可以将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,从比如TimerQueue就是使用DelayQueue实现的。

队列中的Delayed必须实现compareTo来指定元素的顺序。比如让延时时间最长的放在队列的末尾。实现代码如下:

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Delayed接口

我们可以参考ScheduledThreadPoolExecutor里ScheduledFutureTask类。这个类实现了Delayed接口。首先:在对象创建的时候,使用time记录前对象什么时候可以使用,代码如下:

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

然后使用getDelay可以查询当前元素还需要延时多久,代码如下:

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

通过构造函数可以看出延迟时间参数ns的单位是纳秒,自己设计的时候最好使用纳秒,因为getDelay时可以指定任意单位,一旦以纳秒作为单位,而延时的时间又精确不到纳秒就麻烦了。使用时请注意当time小于当前时间时,getDelay会返回负数。

如何实现延时队列

延时队列的实现很简单,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,就阻塞当前线程。

long delay = first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS);
                    if (delay <= 0)
                        return q.poll();
                    else if (leader != null)
                        available.await();

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。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,非常适合于传递性场景,比如在一个线程中使用的数据,传递给另外一个线程使用,SynchronousQueue的吞吐量高于LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue。

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。

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。transfer方法的关键代码如下:

Node pred = tryAppend(s, haveData);
return awaitMatch(s, pred, e, (how == TIMED), nanos);

第一行代码是试图把存放当前元素的s节点作为tail节点。第二行代码是让CPU自旋等待消费者消费元素。因为自旋会消耗CPU,所以自旋一定的次数后使用Thread.yield()方法来暂停当前正在执行的线程,并执行其他线程。

tryTransfer方法。则是用来试探下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,则是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。所谓双向队列指的你可以从队列的两端插入和移出元素。双端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,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渡膨胀。另外双向阻塞队列可以运用在“工作窃取”模式中。

3. 阻塞队列的实现原理

如果队列是空的,消费者会一直等待,当生产者添加元素时候,消费者是如何知道当前队列有元素的呢?如果让你来设计阻塞队列你会如何设计,让生产者和消费者能够高效率的进行通讯呢?让我们先来看看JDK是如何实现的。

使用通知模式实现。所谓通知模式,就是当生产者往满的队列里添加元素时会阻塞住生产者,当消费者消费了一个队列中的元素后,会通知生产者当前队列可用。通过查看JDK源码发现ArrayBlockingQueue使用了Condition来实现,代码如下:

private final Condition notFull;
private final Condition notEmpty;

public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
        //省略其他代码
        notEmpty = lock.newCondition();
        notFull =  lock.newCondition();
    }

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

public E take() throws InterruptedException {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == 0)
                notEmpty.await();
            return extract();
  } finally {
            lock.unlock();
        }
}

private void insert(E x) {
        items[putIndex] = x;
        putIndex = inc(putIndex);
        ++count;
        notEmpty.signal();
    }

当我们往队列里插入一个元素时,如果队列不可用,阻塞生产者主要通过LockSupport.park(this);来实现

public final void await() throws InterruptedException {
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
            Node node = addConditionWaiter();
            int savedState = fullyRelease(node);
            int interruptMode = 0;
            while (!isOnSyncQueue(node)) {
                LockSupport.park(this);
                if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                    break;
            }
            if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
                interruptMode = REINTERRUPT;
            if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
                unlinkCancelledWaiters();
            if (interruptMode != 0)

reportInterruptAfterWait(interruptMode);
        }

继续进入源码,发现调用setBlocker先保存下将要阻塞的线程,然后调用unsafe.park阻塞当前线程。

public static void park(Object blocker) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        setBlocker(t, blocker);
        unsafe.park(false, 0L);
        setBlocker(t, null);
    }

unsafe.park是个native方法,代码如下:

public native void park(boolean isAbsolute, long time);

park这个方法会阻塞当前线程,只有以下四种情况中的一种发生时,该方法才会返回。

  • 与park对应的unpark执行或已经执行时。注意:已经执行是指unpark先执行,然后再执行的park。
  • 线程被中断时。
  • 如果参数中的time不是零,等待了指定的毫秒数时。
  • 发生异常现象时。这些异常事先无法确定。

我们继续看一下JVM是如何实现park方法的,park在不同的操作系统使用不同的方式实现,在linux下是使用的是系统方法pthread_cond_wait实现。实现代码在JVM源码路径src/os/linux/vm/os_linux.cpp里的 os::PlatformEvent::park方法,代码如下:

void os::PlatformEvent::park() {      
     	     int v ;
	     for (;;) {
		v = _Event ;
	     if (Atomic::cmpxchg (v-1, &_Event, v) == v) break ;
	     }
	     guarantee (v >= 0, "invariant") ;
	     if (v == 0) {
	     // Do this the hard way by blocking ...
	     int status = pthread_mutex_lock(_mutex);
	     assert_status(status == 0, status, "mutex_lock");
	     guarantee (_nParked == 0, "invariant") ;
	     ++ _nParked ;
	     while (_Event < 0) {
	     status = pthread_cond_wait(_cond, _mutex);
	     // for some reason, under 2.7 lwp_cond_wait() may return ETIME ...
	     // Treat this the same as if the wait was interrupted
	     if (status == ETIME) { status = EINTR; }
	     assert_status(status == 0 || status == EINTR, status, "cond_wait");
	     }
	     -- _nParked ;
	     
	     // In theory we could move the ST of 0 into _Event past the unlock(),
	     // but then we'd need a MEMBAR after the ST.
	     _Event = 0 ;
	     status = pthread_mutex_unlock(_mutex);
	     assert_status(status == 0, status, "mutex_unlock");
	     }
	     guarantee (_Event >= 0, "invariant") ;
	     }

     }

pthread_cond_wait是一个多线程的条件变量函数,cond是condition的缩写,字面意思可以理解为线程在等待一个条件发生,这个条件是一个全局变量。这个方法接收两个参数,一个共享变量_cond,一个互斥量_mutex。而unpark方法在linux下是使用pthread_cond_signal实现的。park 在windows下则是使用WaitForSingleObject实现的。

当队列满时,生产者往阻塞队列里插入一个元素,生产者线程会进入WAITING (parking)状态。我们可以使用jstack dump阻塞的生产者线程看到这点:

"main" prio=5 tid=0x00007fc83c000000 nid=0x10164e000 waiting on condition [0x000000010164d000]
   java.lang.Thread.State: WAITING (parking)
        at sun.misc.Unsafe.park(Native Method)
        - parking to wait for  <0x0000000140559fe8> (a java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject)
        at java.util.concurrent.locks.LockSupport.park(LockSupport.java:186)
        at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject.await(AbstractQueuedSynchronizer.java:2043)
        at java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue.put(ArrayBlockingQueue.java:324)
        at blockingqueue.ArrayBlockingQueueTest.main(ArrayBlockingQueueTest.java:11)

<think>我们被要求提供关于Java中BlockingQueue的使用指南、原理和示例。根据引用内容,我们知道BlockingQueue是Java并发中的一个重要接口,它支持在队列满或空时阻塞等待的线程安全操作。我们将从以下几个方面展开: 1. BlockingQueue的核心概念 2. 主要实现类:ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue 3. 核心方法解析(添加元素和检索元素的方法) 4. 使用场景和示例 5. 原理剖析 6. 常见问题解答 下面开始详细回答。 --- ### 一、BlockingQueue 核心概念 BlockingQueue 是一个支持两个附加操作的队列:当队列为空时,从队列中获取元素的操作将被阻塞,直到队列非空;当队列满时,向队列中添加元素的操作将被阻塞,直到队列不满。这种特性使得 BlockingQueue 成为多线程编程中实现生产者-消费者模式的理想选择[^1]。 **核心特性**: - **线程安全**:所有实现类都是线程安全的。 - **阻塞操作**:提供阻塞插入和移除方法。 - **容量限制**:可以是有界队列(固定容量)或无界队列(容量为Integer.MAX_VALUE)。 --- ### 二、主要实现类 Java 提供了多种 BlockingQueue 的实现,最常用的是: 1. **ArrayBlockingQueue**: - 基于数组的有界阻塞队列。 - 按照FIFO(先进先出)原则排序元素。 - 创建时必须指定容量,且不可变。 - 支持公平锁策略(可选的构造函数参数),避免线程饥饿。 2. **LinkedBlockingQueue**: - 基于链表的可选有界阻塞队列。 - 默认容量为 `Integer.MAX_VALUE`(近似无界),也可在创建时指定容量。 - 按照FIFO原则排序元素。 - 通常比数组队列有更高的吞吐量,但在高并发下性能更不可预测。 其他实现包括 `PriorityBlockingQueue`(支持优先级排序)、`SynchronousQueue`(不存储元素,每个插入操作必须等待一个移除操作)、`DelayQueue`(元素只有在延迟期满后才能被取出)等[^1][^3]。 --- ### 三、核心方法解析 BlockingQueue 接口定义了四组不同的方法用于插入、移除和检查元素,每组方法在队列满或空时行为不同[^2]: #### 1. 添加元素 | 方法 | 行为 | |------|------| | `add(e)` | 如果队列未满,立即插入并返回`true`;否则抛出`IllegalStateException` | | `put(e)` | 如果队列满,则阻塞直到队列有空闲空间再插入 | | `offer(e)` | 如果队列未满,插入并返回`true`;否则返回`false` | | `offer(e, timeout, unit)` | 在指定的超时时间内尝试插入,成功返回`true`,超时返回`false` | #### 2. 移除元素 | 方法 | 行为 | |------|------| | `remove()` | 移除并返回队列头元素,如果队列为空则抛出`NoSuchElementException` | | `take()` | 如果队列为空,则阻塞直到队列有元素可用 | | `poll()` | 移除并返回队列头元素,队列为空时返回`null` | | `poll(timeout, unit)` | 在指定的超时时间内尝试移除并返回队列头元素,超时返回`null` | #### 3. 检查元素 | 方法 | 行为 | |------|------| | `element()` | 返回队列头元素(不移除),队列为空时抛出`NoSuchElementException` | | `peek()` | 返回队列头元素(不移除),队列为空时返回`null` | > **注意**:这些方法中,`put()` 和 `take()` 是阻塞操作的核心方法。 --- ### 四、使用场景和示例 #### 场景:生产者-消费者模型 生产者线程生成数据并放入队列,消费者线程从队列中取出数据并处理。 ```java import java.util.concurrent.*; public class ProducerConsumerExample { private static final int QUEUE_CAPACITY = 5; private static final BlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<>(QUEUE_CAPACITY); public static void main(String[] args) { // 创建线程池 ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2); // 生产者任务 Runnable producer = () -> { try { for (int i = 0; i < 10; i++) { queue.put(i); // 阻塞直到队列有空位 System.out.println("生产: " + i); Thread.sleep(100); // 模拟生产耗时 } } catch (InterruptedException e) { Thread.currentThread().interrupt(); } }; // 消费者任务 Runnable consumer = () -> { try { for (int i = 0; i < 10; i++) { Integer item = queue.take(); // 阻塞直到队列有元素 System.out.println("消费: " + item); Thread.sleep(200); // 模拟消费耗时 } } catch (InterruptedException e) { Thread.currentThread().interrupt(); } }; // 启动生产者和消费者 executor.submit(producer); executor.submit(consumer); // 关闭线程池 executor.shutdown(); } } ``` #### 场景:任务提交与超时控制 使用 `offer(e, timeout, unit)` 和 `poll(timeout, unit)` 实现带超时的任务提交。 ```java public class TimeoutExample { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { BlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<>(1); // 生产者:尝试在2秒内插入元素 new Thread(() -> { try { boolean success = queue.offer("data", 2, TimeUnit.SECONDS); System.out.println("插入结果: " + success); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }).start(); // 消费者:等待1秒后取走元素 Thread.sleep(1000); String data = queue.poll(1, TimeUnit.SECONDS); System.out.println("取出数据: " + data); } } ``` --- ### 五、原理剖析 #### 1. 锁与条件变量 BlockingQueue 的实现通常依赖于**可重入锁(ReentrantLock)**和**条件变量(Condition)**。以 `ArrayBlockingQueue` 为例: ```java // ArrayBlockingQueue 内部实现关键代码 final ReentrantLock lock; private final Condition notEmpty; // 等待非空的条件 private final Condition notFull; // 等待非满的条件 public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) { // ... 初始化数组 lock = new ReentrantLock(fair); notEmpty = lock.newCondition(); notFull = lock.newCondition(); } // put 方法实现 public void put(E e) throws InterruptedException { Objects.requireNonNull(e); final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lockInterruptibly(); try { while (count == items.length) // 队列满 notFull.await(); // 等待非满条件 enqueue(e); // 入队 } finally { lock.unlock(); } } // take 方法实现 public E take() throws InterruptedException { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lockInterruptibly(); try { while (count == 0) // 队列空 notEmpty.await(); // 等待非空条件 return dequeue(); // 出队 } finally { lock.unlock(); } } // 入队后唤醒等待非空的线程 private void enqueue(E x) { // ... 入队操作 notEmpty.signal(); // 唤醒一个等待非空的线程 } // 出队后唤醒等待非满的线程 private E dequeue() { // ... 出队操作 notFull.signal(); // 唤醒一个等待非满的线程 return x; } ``` #### 2. 无界队列实现 `LinkedBlockingQueue` 默认无界(实际容量为`Integer.MAX_VALUE`),其内部使用两个锁(`putLock` 和 `takeLock`)分别控制入队和出队操作,减少锁竞争,提高并发性能[^3]。 --- ### 六、常见问题解答 #### ❌ 问题1:如何选择 ArrayBlockingQueue 和 LinkedBlockingQueue? - **ArrayBlockingQueue**:固定大小,内存连续,性能稳定,适合已知固定容量的场景。 - **LinkedBlockingQueue**:默认无界(可指定容量),适合任务量未知但可能很大的场景,但注意可能引起内存溢出。 #### ❌ 问题2:阻塞队列在什么情况下会导致线程饥饿? - 使用非公平锁(默认)时,新来的线程可能比等待的线程先获取锁,导致等待线程饥饿。 - **解决方案**:创建队列时指定公平锁(如 `new ArrayBlockingQueue<>(100, true)`),但会降低吞吐量。 #### ❌ 问题3:如何处理阻塞队列中的任务拒绝? 当使用有界队列时,生产者可能因队列满而被阻塞或拒绝。常见处理策略: - 使用 `offer(e, timeout, unit)` 设置超时,超时后记录日志或执行降级逻辑。 - 结合线程池的 `RejectedExecutionHandler` 处理(如丢弃任务、调用者运行等)[^3]。 --- ### 七、最佳实践 1. **合理设置队列容量**: - 过小:频繁阻塞,降低吞吐。 - 过大:占用内存,可能引发OOM(无界队列风险)。 2. **优先使用标准库提供的线程池**: ```java // 使用 ThreadPoolExecutor 并指定阻塞队列 ExecutorService executor = new ThreadPoolExecutor( 4, // 核心线程数 8, // 最大线程数 60, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(100) // 使用有界队列 ); ``` 3. **监控队列状态**: ```java // 定期打印队列大小 ScheduledExecutorService monitor = Executors.newSingleThreadScheduledExecutor(); monitor.scheduleAtFixedRate(() -> System.out.println("队列大小: " + queue.size()), 0, 1, TimeUnit.SECONDS ); ``` --- 通过以上解析,我们深入了解了 BlockingQueue 的使用方法、内部原理及实践技巧。合理使用阻塞队列可以显著简化多线程编程,提高系统稳定性和性能[^1][^3]。 §§相关问题§§ 1. 如何监控 BlockingQueue 的性能指标(如队列长度、等待时间)? 2. BlockingQueue 在分布式系统中如何应用? 3. 如何实现一个自定义的 BlockingQueue? 4. BlockingQueue 与消息队列(如Kafka、RabbitMQ)有何异同?</think>### Java BlockingQueue 使用指南、原理与示例 BlockingQueue 是 Java 并发包 (`java.util.concurrent`) 中的核心接口,专为生产者-消费者模型设计,支持线程安全的阻塞操作。以下是全面解析: --- #### 一、BlockingQueue 核心原理 | 特性 | 说明 | |---------------------|----------------------------------------------------------------------| | **阻塞机制** | 队列满时插入操作阻塞,队列空时获取操作阻塞[^1] | | **线程安全** | 内置锁(ReentrantLock)和条件变量(Condition)实现线程同步 | | **容量策略** | 分为有界队列(如 ArrayBlockingQueue)和无界队列(如 LinkedBlockingQueue) | | **FIFO 原则** | 默认先进先出(PriorityBlockingQueue 支持优先级排序) | **底层实现关键**: ```java // ArrayBlockingQueue 核心锁机制 final ReentrantLock lock; private final Condition notEmpty; // 非空条件 private final Condition notFull; // 非满条件 public void put(E e) throws InterruptedException { Objects.requireNonNull(e); final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lockInterruptibly(); try { while (count == items.length) // 队列满时阻塞 notFull.await(); enqueue(e); // 入队并唤醒消费者 } finally { lock.unlock(); } } ``` --- #### 二、核心方法对比 ##### 1. 添加元素方法 | 方法 | 队列满时行为 | 返回值 | |-------------------------------|----------------------------------------|----------------------| | `add(e)` | 抛出 `IllegalStateException` | `boolean` (成功/失败)| | `put(e)` | 阻塞直到有空位 | `void` | | `offer(e)` | 立即返回失败 | `boolean` | | `offer(e, timeout, timeUnit)` | 阻塞等待指定时间,超时返回失败 | `boolean` | ##### 2. 获取元素方法 | 方法 | 队列空时行为 | 返回值 | |-------------------------------|----------------------------------------|-------------| | `remove()` | 抛出 `NoSuchElementException` | `E` | | `take()` | 阻塞直到有元素 | `E` | | `poll()` | 立即返回 `null` | `E` 或 `null`| | `poll(timeout, timeUnit)` | 阻塞等待指定时间,超时返回 `null` | `E` 或 `null`| | `peek()` | 返回队首元素(不删除) | `E` 或 `null`| [^2] --- #### 三、常用实现类对比 | 实现类 | 数据结构 | 是否有界 | 锁机制 | 适用场景 | |-----------------------|----------------|----------|----------------------|------------------------------| | `ArrayBlockingQueue` | 数组 | 有界 | 单锁(生产消费共用) | 固定大小队列,内存可控 | | `LinkedBlockingQueue` | 链表 | 可选有界 | 双锁(分离生产消费) | 高吞吐量场景[^1] | | `PriorityBlockingQueue` | 二叉堆 | 无界 | 单锁 | 按优先级处理任务 | | `SynchronousQueue` | 无容器 | 特殊 | CAS 操作 | 直接传递任务(生产者等消费者)| --- #### 四、实战代码示例 ##### 1. 生产者-消费者模型(ArrayBlockingQueue) ```java import java.util.concurrent.*; public class ProducerConsumerExample { private static final int CAPACITY = 3; private static final BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<>(CAPACITY); public static void main(String[] args) { // 生产者 Runnable producer = () -> { try { for (int i = 0; i < 5; i++) { String item = "Item-" + i; queue.put(item); // 队列满时阻塞 System.out.println("生产: " + item); Thread.sleep(200); } } catch (InterruptedException e) { Thread.currentThread().interrupt(); } }; // 消费者 Runnable consumer = () -> { try { for (int i = 0; i < 5; i++) { String item = queue.take(); // 队列空时阻塞 System.out.println("消费: " + item); Thread.sleep(500); } } catch (InterruptedException e) { Thread.currentThread().interrupt(); } }; new Thread(producer).start(); new Thread(consumer).start(); } } ``` ##### 2. 超时控制(offer/poll) ```java // 生产者线程 if (!queue.offer("Urgent", 2, TimeUnit.SECONDS)) { System.err.println("插入失败:队列已满超时"); } // 消费者线程 String item = queue.poll(3, TimeUnit.SECONDS); if (item == null) { System.out.println("获取失败:队列空超时"); } ``` ##### 3. 优先级队列(PriorityBlockingQueue) ```java BlockingQueue<Task> priorityQueue = new PriorityBlockingQueue<>( 10, Comparator.comparingInt(Task::getPriority) ); // 添加任务 priorityQueue.put(new Task("Low", 1)); priorityQueue.put(new Task("High", 3)); Task next = priorityQueue.take(); // 先取出优先级3的任务 ``` --- #### 五、典型应用场景 1. **线程池任务调度** ```java // ThreadPoolExecutor 内部使用 BlockingQueue ExecutorService executor = new ThreadPoolExecutor( 2, 4, 60, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(100) // 任务队列 ); ``` 2. **高并发请求缓冲** ```java // 处理突发流量 BlockingQueue<HttpRequest> buffer = new LinkedBlockingQueue<>(1000); ``` 3. **多阶段数据处理流水线** ```java // 阶段1 → 阶段2 传递数据 BlockingQueue<Data> stage1Output = new LinkedBlockingQueue<>(); BlockingQueue<Result> stage2Output = new ArrayBlockingQueue<>(50); ``` --- #### 六、常见问题解决方案 ##### ❌ 问题1:队列满导致生产者阻塞 **解决方案**: - 使用 `offer(e, timeout, unit)` 设置超时 - 启用拒绝策略(如丢弃旧元素) ```java // 自定义拒绝策略:丢弃最旧元素 BlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<>(10) { @Override public boolean offer(String e) { if (size() == capacity) poll(); // 丢弃队首 return super.offer(e); } }; ``` ##### ❌ 问题2:消费者处理速度慢拖垮系统 **解决方案**: - 限制队列容量(避免无界队列 OOM) - 监控队列长度并告警 ```java if (queue.size() > WARNING_THRESHOLD) { log.warn("队列积压: {}/{}", queue.size(), queue.remainingCapacity()); } ``` ##### ❌ 问题3:线程阻塞导致无法退出 **解决方案**: - 使用中断机制唤醒线程 ```java // 消费者线程退出逻辑 while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) { String item = queue.poll(1, TimeUnit.SECONDS); if (item != null) process(item); } ``` --- #### 七、性能优化建议 1. **选择合适队列类型** - 高吞吐 → `LinkedBlockingQueue`(分离锁提升并发) - 低延迟 → `ArrayBlockingQueue`(内存连续访问快) 2. **避免无界队列** - 防止内存溢出(OOM),尤其在高并发场景[^4] 3. **监控关键指标** ```java // 监控队列负载 double loadFactor = (double) queue.size() / queue.remainingCapacity(); ``` --- 通过合理使用 BlockingQueue,可有效解决线程间数据传递的同步问题,构建高效稳定的并发系统[^1][^3]。
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