Java中的阻塞队列（BlockingQueue）

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本文深入探讨Java中的阻塞队列（BlockingQueue），包括其基本概念、多种实现方式及应用场景，特别关注ArrayBlockingQueue与LinkedBlockingQueue的内部实现原理。

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本文转自：Java中的阻塞队列（BlockingQueue）

什么是阻塞队列

阻塞队列（BlockingQueue）是 Java 5 并发新特性中的内容，阻塞队列的接口是 java.util.concurrent.BlockingQueue，它提供了两个附加操作：当队列中为空时，从队列中获取元素的操作将被阻塞；当队列满时，向队列中添加元素的操作将被阻塞。

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。

阻塞队列提供了四种操作方法：

阻塞队列操作方法

抛出异常：当队列满时，再向队列中插入元素，则会抛出IllegalStateException异常。当队列空时，再向队列中获取元素，则会抛出NoSuchElementException异常。
返回特殊值：当队列满时，向队列中添加元素，则返回false，否则返回true。当队列为空时，向队列中获取元素，则返回null，否则返回元素。
一直阻塞：当阻塞队列满时，如果生产者向队列中插入元素，则队列会一直阻塞当前线程，直到队列可用或响应中断退出。当阻塞队列为空时，如果消费者线程向阻塞队列中获取数据，则队列会一直阻塞当前线程，直到队列空闲或响应中断退出。
超时退出：当队列满时，如果生产线程向队列中添加元素，则队列会阻塞生产线程一段时间，超过指定的时间则退出返回false。当队列为空时，消费线程从队列中移除元素，则队列会阻塞一段时间，如果超过指定时间退出返回null。

Java中的阻塞队列

JDK7提供了7个阻塞队列。分别是

阻塞队列操作方法

下面分别简单介绍一下：

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。支持公平锁和非公平锁。【注：每一个线程在获取锁的时候可能都会排队等待，如果在等待时间上，先获取锁的线程的请求一定先被满足，那么这个锁就是公平的。反之，这个锁就是不公平的。公平的获取锁，也就是当前等待时间最长的线程先获取锁】
LinkedBlockingQueue：一个由链表结构组成的有界队列，此队列的长度为Integer.MAX_VALUE。此队列按照先进先出的顺序进行排序。
PriorityBlockingQueue：一个支持线程优先级排序的无界队列，默认自然序进行排序，也可以自定义实现compareTo()方法来指定元素排序规则，不能保证同优先级元素的顺序。
DelayQueue：一个实现PriorityBlockingQueue实现延迟获取的无界队列，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。只有延时期满后才能从队列中获取元素。（DelayQueue可以运用在以下应用场景：1.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。2.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。）
SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列，每一个put操作必须等待take操作，否则不能添加元素。支持公平锁和非公平锁。SynchronousQueue的一个使用场景是在线程池里。Executors.newCachedThreadPool()就使用了SynchronousQueue，这个线程池根据需要（新任务到来时）创建新的线程，如果有空闲线程则会重复使用，线程空闲了60秒后会被回收。
LinkedTransferQueue：一个由链表结构组成的无界阻塞队列，相当于其它队列，LinkedTransferQueue队列多了transfer和tryTransfer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），transfer()方法可以把生产者传入的元素立刻传输给消费者；如果没有消费者在等待接收元素，transfer()方法会将元素存放到队列的tail节点，并等到该元素被消费者消费了才返回。
tryTransfer()方法：该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。与transfer()方法的区别：tryTransfer()方法是立即返回（无论消费者是否接收），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之后再返回，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时可以初始化队列的容量，用来防止其再扩容时过渡膨胀。另外双向阻塞队列可以运用在“工作窃取”模式中。

Java中线程安全的内置队列还有两个：ConcurrentLinkedQueue和LinkedTransferQueue，它们使用了CAS这种无锁的方式来实现了线程安全的队列。无锁的方式性能好，但是队列是无界的，用在生产系统中，生产者生产速度过快，可能导致内存溢出。有界的阻塞队列ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue，为了减少Java的垃圾回收对系统性能的影响，会尽量选择array/heap格式的数据结构。这样的话就只剩下ArrayBlockingQueue。（先埋个坑在这儿，近来接触到了disruptor，感觉妙不可言。disruptor）

阻塞队列的实现原理

ArrayBlockingQueue的实现原理

构造方法:

ArrayBlockingQueue(int capacity);
ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair);
ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair, Collection<? extends E> c)

ArrayBlockingQueue提供了三种构造方法，参数含义如下：

capacity：容量，即队列大小。
fair：是否公平锁。
c：队列初始化元素，顺序按照Collection遍历顺序。

插入元素：

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();
    }
}

从源码可以看出，生产者首先获得锁lock，然后判断队列是否已经满了，如果满了，则等待，直到被唤醒，然后调用enqueue插入元素。

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++;
    notEmpty.signal();
}

以上是enqueue的实现，实现的操作是插入元素到一个环形数组，然后唤醒notEmpty上阻塞的线程。

获取元素：

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

从源码可以看出，消费者首先获得锁，然后判断队列是否为空，为空，则等待，直到被唤醒，然后调用dequeue获取元素。

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();
    notFull.signal();
    return x;
}

以上是dequeue的实现，获取环形数组当前takeIndex的元素，并及时将当前元素置为null，设置下一次takeIndex的值takeIndex++，然后唤醒notFull上阻塞的线程。

还有其他方法offer(E e)、poll()、add(E e)、remove()、 offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)等的实现，因为常用take和put，这些方法就不一一赘述了。

LinkedBlockingQueue 实现原理

构造方法:

public LinkedBlockingQueue() 
public LinkedBlockingQueue(int capacity) 
public LinkedBlockingQueue(Collection<? extends E> c)

LinkedBlockingQueue 的默认的容量是Integer.MAX_VALUE，这样的话，如果生产者的速度一旦大于消费者的速度，也许还没有等到队列满阻塞产生，系统内存就有可能已被消耗殆尽了。使用时尽量使用上面的第二个构造函数指定初始容量。

成员变量

/** The capacity bound, or Integer.MAX_VALUE if none */
private final int capacity;

/** 队列中当前元素数目 */
private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();

/** head 节点 */
transient Node<E> head;

/** tail 节点* Invariant: last.next == null */
private transient Node<E> last;

/** Lock held by take, poll, etc */
private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();

/** Wait queue for waiting takes */
private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();

/** Lock held by put, offer, etc */
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();

/** Wait queue for waiting puts */
private final Condition notFull = putLock.newCondition();

LinkedBlockingQueue 中的元素添加时使用 last 节点添加到队列结尾，使用 head 节点从队列前面移除节点，元素读取按照先进先出的顺序。和 ArrayBlockingQueue在put,take操作使用了同一个锁有区别的是，LinkedBlockingQueue使用了不同的锁，put操作和take操作可同时进行，以此来提高整个队列的并发性能。

ArrayBlockingQueue 与 LinkedBlockingQueue 两者对比

ArrayBlockingQueue在put,take操作使用了同一个锁，两者操作不能同时进行，而LinkedBlockingQueue使用了不同的锁，put操作和take操作可同时进行。
ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue间还有一个明显的不同之处在于，前者在插入或删除元素时不会产生或销毁任何额外的对象实例，而后者则会生成一个额外的Node对象，这在长时间内需要高效并发地处理大批量数据的系统中，其对于GC的影响还是存在一定的区别。

插入元素

	/**
     * Inserts the specified element at the tail of this queue, waiting if
     * necessary for space to become available.
     */
    public void put(E e) throws InterruptedException {
        if (e == null) throw new NullPointerException();
        
        int c = -1;
        Node<E> node = new Node<E>(e);
        final ReentrantLock putLock = this.putLock;
        final AtomicInteger count = this.count;
        putLock.lockInterruptibly();
        try {
            // 如果容量已满，则等待，直到有可用容量
            while (count.get() == capacity) {
                notFull.await();
            }
            // 插入元素
            enqueue(node);
            c = count.getAndIncrement();
            //如果元素插入之后，总的元素数目小于容量，通知 容量未满
            if (c + 1 < capacity)
                notFull.signal();
        } finally {
            putLock.unlock();
        }
        // 如果第一个元素插入成功，则通知消费者已经有元素
        if (c == 0)
            signalNotEmpty();
    }

    /**
     * Signals a waiting take. Called only from put/offer (which do not
     * otherwise ordinarily lock takeLock.)
     */
    private void signalNotEmpty() {
        final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
        takeLock.lock();
        try {
            notEmpty.signal();
        } finally {
            takeLock.unlock();
        }
    }

    private void enqueue(Node<E> node) {
        // 将新的节点添加到队列末尾
        last = last.next = node;
    }

读取元素：

	public E take() throws InterruptedException {
        E x;
        int c = -1;
        final AtomicInteger count = this.count;
        final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
        takeLock.lockInterruptibly();
        try {
        	// 如果队列中还没有元素，则阻塞，进行等待
            while (count.get() == 0) {
                notEmpty.await();
            }
            x = dequeue();
            c = count.getAndDecrement();
            // 如果移除元素之后，还有元素，则通知等待的读取锁
            if (c > 1)
                notEmpty.signal();
        } finally {
            takeLock.unlock();
        }       
        // 如果移除元素后，元素数目刚好比容量数小1，则通知等待的写入锁
        if (c == capacity)
            signalNotFull();
        return x;
    }

    private E dequeue() {
        // 使 head 节点替换第一个节点
        Node<E> h = head;
        Node<E> first = h.next;
        h.next = h; // help GC
        head = first;
        E x = first.item;
        first.item = null;
        return x;
    }

drainTo():
一次性从BlockingQueue获取所有可用的数据对象（还可以指定获取数据的个数），通过该方法，可以提升获取数据效率；不需要多次分批加锁或释放锁。

	public int drainTo(Collection<? super E> c) {
        return drainTo(c, Integer.MAX_VALUE);
    }

	public int drainTo(Collection<? super E> c, int maxElements) {
        if (c == null)
            throw new NullPointerException();
        if (c == this)
            throw new IllegalArgumentException();
        if (maxElements <= 0)
            return 0;
        boolean signalNotFull = false;
        final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
        takeLock.lock();
        try {
            int n = Math.min(maxElements, count.get());
            // count.get provides visibility to first n Nodes
            Node<E> h = head;
            int i = 0;
            try {
                while (i < n) {
                    Node<E> p = h.next;
                    c.add(p.item);
                    p.item = null;
                    h.next = h;
                    h = p;
                    ++i;
                }
                return n;
            } finally {
                // Restore invariants even if c.add() threw
                if (i > 0) {
                    // assert h.item == null;
                    head = h;
                    signalNotFull = (count.getAndAdd(-i) == capacity);
                }
            }
        } finally {
            takeLock.unlock();
            if (signalNotFull)
                signalNotFull();
        }
    }

阻塞队列的基本使用

ArrayBlockingQueue 的使用

使用阻塞队列实现生产者-消费者模式：

/**
 * Created by noly on 2017/5/19.
 */
public class BlockingQueueTest {

    public static void main (String[] args) {
        ArrayBlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<Integer>(10);

        Consumer consumer = new Consumer(queue);
        Producer producer = new Producer(queue);

        producer.start();
        consumer.start();
    }
}

class Consumer extends Thread {
    private ArrayBlockingQueue<Integer> queue;
    public Consumer(ArrayBlockingQueue<Integer> queue){
        this.queue = queue;
    }
    @Override
    public void run() {
        while(true) {
            try {
                Integer i = queue.take();
                System.out.println("消费者从队列取出元素:" + i);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

class Producer extends Thread {
    private ArrayBlockingQueue<Integer> queue;
    public Producer(ArrayBlockingQueue<Integer> queue){
        this.queue = queue;
    }
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            try {
                queue.put(i);
                System.out.println("生产者向队列插入元素:" + i);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

如果不使用阻塞队列，使用Object.wait()和Object.notify()、非阻塞队列实现生产者-消费者模式，考虑线程间的通讯，会非常麻烦。

DelayQueue 的应用

实体类

import java.util.concurrent.Delayed;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

// 必须实现Delayed接口
public class Student implements Delayed {

	private String name;
	private long submitTime; // 交卷时间(开始考试时间默认为实例初始化时间)
	private long workTime;	 // 考试时长
	
	public Student(String name, long workTime) {
		this.name = name;
		this.workTime = workTime;
		this.submitTime = TimeUnit.NANOSECONDS.convert(workTime, TimeUnit.MILLISECONDS) + System.nanoTime();
		
		System.out.println(this.name + " 交卷，用时" + workTime);
	}

	public String getName() {
        return this.name + " 交卷，用时" + workTime;
    }
	
	// 重写 compareTo 方法，用于指定元素的顺序
	@Override
	public int compareTo(Delayed o) {
		Student that = (Student) o;
		return submitTime > that.submitTime ? 1 : (submitTime < that.submitTime ? -1 : 0);
	}

	// 必须实现该方法
	@Override
	public long getDelay(TimeUnit unit) {
		//返回一个延迟时间 （这里是 考试所用时间）
		return unit.convert(submitTime - System.nanoTime(), TimeUnit.NANOSECONDS);
	}

}

测试

import java.util.concurrent.DelayQueue;

public class DelayQueueTest {

	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		// 新建一个等待队列
		final DelayQueue<Student> bq = new DelayQueue<Student>();
		Student stu;
		for (int i = 0; i < 5; i++) {
			stu = new Student("学生" + i, Math.round(Math.random() * 1000 + i));
			bq.put(stu); // 将数据存到队列里！
		}	
				
		long start = System.currentTimeMillis();
		System.out.println(bq.take().getName());
		System.out.println(System.currentTimeMillis() - start);
	}
}

执行结果：

学生0 交卷，用时602
学生1 交卷，用时174
学生2 交卷，用时499
学生3 交卷，用时580
学生4 交卷，用时464
学生1 交卷，用时174
176

参考资料：

聊聊并发（七）——Java中的阻塞队列

阻塞队列和ArrayBlockingQueue源码解析

高性能队列——Disruptor