学习阻塞队列BlockingQueue

如果BlockQueue是空的,从BlockingQueue取东西的操作将会被阻断进入等待状态,直到BlockingQueue进了东西才会被唤醒.同样,如果BlockingQueue是满的,任何试图往里存东西的操作也会被阻断进入等待状态,直到BlockingQueue里有空间才会被唤醒继续操作.

1.BlockingQueue定义的常用方法如下

1)add(anObject)
把anObject加到BlockingQueue里,即如果BlockingQueue可以容纳,则返回true,否则报异常

2)offer(anObject)
表示如果可能的话,将anObject加到BlockingQueue里,即如果BlockingQueue可以容纳,则返回true,否则返回false.

3)put(anObject)
把anObject加到BlockingQueue里,如果BlockQueue没有空间,则调用此方法的线程被阻断直到BlockingQueue里面有空间再继续.

4)poll(time)
取走BlockingQueue里排在首位的对象,若不能立即取出,则可以等time参数规定的时间,取不到时返回null

5)take()
取走BlockingQueue里排在首位的对象,若BlockingQueue为空,阻断进入等待状态直到Blocking有新的对象被加入为止

6)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。

-	Throws Exception	Special Value	Blocks	Times Out
Insert	add(o)	offer(o)	put(o)	offer(o, timeout, timeunit)
Remove	remove(o)	poll()	take()	poll(timeout, timeunit)
Examine	element()	peek()

这四套方法对应的特点分别是：

1. ThrowsException：如果操作不能马上进行，则抛出异常
2. SpecialValue：如果操作不能马上进行，将会返回一个特殊的值，一般是true或者false
3. Blocks:如果操作不能马上进行，操作会被阻塞
4. TimesOut:如果操作不能马上进行，操作会被阻塞指定的时间，如果指定时间没执行，则返回一个特殊值，一般是true或者false

2.BlockingQueue具体的实现类,根据不同需求,选择不同的实现类

1)ArrayBlockingQueue
规定大小的BlockingQueue,其构造函数必须带一个int参数来指明其大小.其所含的对象是以FIFO(先入先出)顺序排序的.

BlockingQueue queue = new ArrayBlockingQueue(1024);
queue.put("1");
Object object = queue.take();

2)LinkedBlockingQueue
大小不定的BlockingQueue,若其构造函数带一个规定大小的参数,生成的BlockingQueue有大小限制,若不带大小参数,所生成的BlockingQueue的大小由Integer.MAX_VALUE来决定.

和ArrayBlockingQueue一样，LinkedBlockingQueue 也是以先进先出的方式存储数据，最新插入的对象是尾部，最新移出的对象是头部。下面是一个初始化和使LinkedBlockingQueue的例子：

BlockingQueue<String> unbounded = new LinkedBlockingQueue<String>();
BlockingQueue<String> bounded   = new LinkedBlockingQueue<String>(1024);
bounded.put("Value");
String value = bounded.take();

ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue是两个最普通也是最常用的阻塞队列，一般情况下，在处理多线程间的生产者消费者问题，使用这两个类足以。

生产者消费者实例：

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;

public class BlockingQueueTest {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 声明一个容量为10的缓存队列
        BlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<String>(10);

        Producer producer1 = new Producer(queue);
        Producer producer2 = new Producer(queue);
        Producer producer3 = new Producer(queue);
        Consumer consumer = new Consumer(queue);

        // 借助Executors
        ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
        // 启动线程
        service.execute(producer1);
        service.execute(producer2);
        service.execute(producer3);
        service.execute(consumer);

        // 执行10s
        Thread.sleep(10 * 1000);
        producer1.stop();
        producer2.stop();
        producer3.stop();

        Thread.sleep(2000);
        // 退出Executor
        service.shutdown();
    }
}

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 * 生产者
 */
public class Producer implements Runnable {
    private volatile boolean isRunning = true;
    private BlockingQueue queue;
    private static AtomicInteger count = new AtomicInteger();
    private static final int DEFAULT_RANGE_FOR_SLEEP = 1000;

    public Producer(BlockingQueue queue) {
        this.queue = queue;
    }

    public void run() {
        String data = null;
        Random r = new Random();

        System.out.println("启动生产者线程！");
        try {
            while (isRunning) {
                System.out.println("正在生产数据...");
                Thread.sleep(r.nextInt(DEFAULT_RANGE_FOR_SLEEP));

                data = "data:" + count.incrementAndGet();
                System.out.println("将数据：" + data + "放入队列...");
                if (!queue.offer(data, 2, TimeUnit.SECONDS)) {
                    System.out.println("放入数据失败：" + data);
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
            Thread.currentThread().interrupt();
        } finally {
            System.out.println("退出生产者线程！");
        }
    }

    public void stop() {
        isRunning = false;
    }
}

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * 消费者
 */
public class Consumer implements Runnable {
    private BlockingQueue<String> queue;
    private static final int DEFAULT_RANGE_FOR_SLEEP = 1000;

    public Consumer(BlockingQueue<String> queue) {
        this.queue = queue;
    }

    public void run() {
        System.out.println("启动消费者线程！");
        Random r = new Random();
        boolean isRunning = true;
        try {
            while (isRunning) {
                System.out.println("正从队列获取数据...");
                String data = queue.poll(2, TimeUnit.SECONDS);
                if (null != data) {
                    System.out.println("拿到数据：" + data);
                    System.out.println("正在消费数据：" + data);
                    Thread.sleep(r.nextInt(DEFAULT_RANGE_FOR_SLEEP));
                } else {
                    // 超过2s还没数据，认为所有生产线程都已经退出，自动退出消费线程。
                    isRunning = false;
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
            Thread.currentThread().interrupt();
        } finally {
            System.out.println("退出消费者线程！");
        }
    }
}

3)DelayQueue
DelayQueue中的元素只有当其指定的延迟时间到了，才能够从队列中获取到该元素。DelayQueue是一个没有大小限制的队列，因此往队列中插入数据的操作（生产者）永远不会被阻塞，而只有获取数据的操作（消费者）才会被阻塞。

使用场景：DelayQueue使用场景较少，但都相当巧妙，常见的例子比如使用一个DelayQueue来管理一个超时未响应的连接队列。
　　
DelayQueue阻塞的是其内部元素，DelayQueue中的元素必须实现 java.util.concurrent.Delayed接口，这个接口的定义非常简单：

public interface Delayed extends Comparable<Delayed> {
    long getDelay(TimeUnit unit);
}

getDelay()方法的返回值就是队列元素被释放前的保持时间，如果返回0或者一个负值，就意味着该元素已经到期需要被释放，此时DelayedQueue会通过其take()方法释放此对象。

从上面Delayed 接口定义可以看到，它还继承了Comparable接口，这是因为DelayedQueue中的元素需要进行排序，一般情况，我们都是按元素过期时间的优先级进行排序。

例1：为一个对象指定过期时间

首先，我们先定义一个元素，这个元素要实现Delayed接口

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

public class DelayedElement implements Delayed {
      //过期时间
      private long expired;
      private long delay;
      private String name;

      public DelayedElement(String elementName, long delay) {
             this.name = elementName;
             this.delay= delay;
             this.expired = ( delay + System. currentTimeMillis());
      }

      @Override
      public int compareTo(Delayed o) {
            //因为比较的DelayedElement类，所以必须先强制类型转换。
            DelayedElement cached=(DelayedElement) o;
            //DelayedQueue中的元素需要进行排序，一般情况，我们都是按元素过期时间的优先级进行排序。
            return cached.getExpired() > this.expired ? 1 : -1;
      }

      @Override
      public long getDelay(TimeUnit unit) {
             //过期时间减当前时间 （如果当前时间 到达 过期时间，该元素被释放）
             return ( expired - System. currentTimeMillis());
      }

      @Override
      public String toString() {
             return "DelayedElement [delay=" + delay + ", name=" + name + "]";
      }

      public long getExpired() {
             return expired;
      }
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        DelayQueue<DelayedElement> queue = new DelayQueue<>();
        //设置这个元素的过期时间为3s
        DelayedElement ele = new DelayedElement("cache 3 seconds", 3000);
        queue.put(ele);
        System.out.println(queue.take());
    }
}

运行这个main函数，我们可以发现，我们需要等待3s之后才会打印这个对象（toString()）。

DelayedElement [delay=3000, name=cache 3 seconds]

其实DelayQueue应用场景很多，比如定时关闭连接、缓存对象，超时处理等各种场景，下面我们就拿学生考试为例让大家更深入的理解DelayQueue的使用。

例2：把所有考试的学生看做是一个DelayQueue，谁先做完题目释放谁

首先，我们构造一个学生对象

public class Student implements Runnable, Delayed {
    private String name; // 姓名
    private long costTime;// 做试题的时间
    private long finishedTime;// 完成时间

    public Student(String name, long costTime) {
        this.name = name;
        this.costTime = costTime;
        finishedTime = costTime + System.currentTimeMillis();
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(name + " 交卷,用时" + costTime / 1000);
    }

    @Override
    public long getDelay(TimeUnit unit) {
        return (finishedTime - System.currentTimeMillis());
    }

    @Override
    public int compareTo(Delayed o) {
        Student other = (Student) o;
        return costTime >= other.costTime ? 1 : -1;
    }

}

然后在构造一个教师对象对学生进行考试

public class Teacher {
    static final int STUDENT_SIZE = 30;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Random r = new Random();
        // 把所有学生看做一个延迟队列
        DelayQueue<Student> students = new DelayQueue<Student>();
        // 构造一个线程池用来让学生们“做作业”
        ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(STUDENT_SIZE);
        for (int i = 0; i < STUDENT_SIZE; i++) {
            // 初始化学生的姓名和做题时间
            students.put(new Student("学生" + (i + 1), 3000 + r.nextInt(10000)));
        }
        // 开始做题
        while (!students.isEmpty()) {
            exec.execute(students.take());
        }
        exec.shutdown();
    }
}

我们看一下运行结果：

学生4 交卷,用时3
学生13 交卷,用时4
学生5 交卷,用时5
学生14 交卷,用时5
学生2 交卷,用时5
学生3 交卷,用时6
学生26 交卷,用时6

通过运行结果我们可以发现，每个学生在指定开始时间到达之后就会“交卷”（取决于getDelay()方法），并且是先做完的先交卷（取决于compareTo()方法）。

4)PriorityBlockingQueue优先级对列
4.1 PriorityBlockingQueue是一个没有边界的队列，它的排序规则和 java.util.PriorityQueue一样。需要注意，PriorityBlockingQueue中允许插入null对象。

基于优先级的阻塞队列（优先级的判断通过构造函数传入的Compator对象来决定），但需要注意的是PriorityBlockingQueue并不会阻塞数据生产者，而只会在没有可消费的数据时，阻塞数据的消费者。因此使用的时候要特别注意，生产者生产数据的速度绝对不能快于消费者消费数据的速度，否则时间一长，会最终耗尽所有的可用堆内存空间。在实现PriorityBlockingQueue时，内部控制线程同步的锁采用的是公平锁。

4.2 所有插入PriorityBlockingQueue的对象必须实现 java.lang.Comparable接口，队列优先级的排序规则就是按照我们对这个接口的实现来定义的。

规则是：当前和其他对象比较，如果compare方法返回负数，那么在队列里面的优先级就比较高。

4.3 另外，我们可以从PriorityBlockingQueue获得一个迭代器Iterator，但这个迭代器并不保证按照优先级顺序进行迭代。

问题：有没有人在使用时，发现将添加在PriorityBlockingQueue的一系列元素打印出来，队列的元素其实并不是全部按优先级排序的，但是队列头的优先级肯定是最高的？
回复：PriorityBlockingQueue队列添加新元素时候不是将全部元素进行顺序排列。但是每取一个头元素时候，都会对剩余的元素做一次调整，这样就能保证每次队列头的元素都是优先级最高的元素

下面我们举个例子来说明一下，首先我们定义一个对象类型，这个对象需要实现Comparable接口：

public class PriorityElement implements Comparable<PriorityElement> {
    private int priority;// 定义优先级

    public PriorityElement(int priority) {
        // 初始化优先级
        this.priority = priority;
    }

    @Override
    public int compareTo(PriorityElement o) {
        // 按照优先级大小进行排序
        return priority >= o.getPriority() ? 1 : -1;
    }

    public int getPriority() {
        return priority;
    }

    public void setPriority(int priority) {
        this.priority = priority;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "PriorityElement [priority=" + priority + "]";
    }
}

然后我们把这些元素随机设置优先级放入队列中

public class PriorityBlockingQueueExample {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        PriorityBlockingQueue<PriorityElement> queue = new PriorityBlockingQueue<>();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            Random random = new Random();
            PriorityElement ele = new PriorityElement(random.nextInt(10));
            queue.put(ele);
        }
        while (!queue.isEmpty()) {
            System.out.println(queue.take());
        }
    }
}

看一下运行结果：

PriorityElement [priority=3]
PriorityElement [priority=5]
PriorityElement [priority=7]
PriorityElement [priority=7]
PriorityElement [priority=8]

5)SynchronousQueue
特殊的BlockingQueue,对其的操作必须是放和取交替完成的. 队列内部仅允许容纳一个元素。当一个线程插入一个元素后会被阻塞，除非这个元素被另一个线程消费。

一种无缓冲的等待队列，类似于无中介的直接交易，有点像原始社会中的生产者和消费者，生产者拿着产品去集市销售给产品的最终消费者，而消费者必须亲自去集市找到所要商品的直接生产者，如果一方没有找到合适的目标，那么对不起，大家都在集市等待。相对于有缓冲的BlockingQueue来说，少了一个中间经销商的环节（缓冲区），如果有经销商，生产者直接把产品批发给经销商，而无需在意经销商最终会将这些产品卖给那些消费者，由于经销商可以库存一部分商品，因此相对于直接交易模式，总体来说采用中间经销商的模式会吞吐量高一些（可以批量买卖）；但另一方面，又因为经销商的引入，使得产品从生产者到消费者中间增加了额外的交易环节，单个产品的及时响应性能可能会降低。
　　声明一个SynchronousQueue有两种不同的方式，它们之间有着不太一样的行为。公平模式和非公平模式的区别:
　　如果采用公平模式：SynchronousQueue会采用公平锁，并配合一个FIFO队列来阻塞多余的生产者和消费者，从而体系整体的公平策略；
　　但如果是非公平模式（SynchronousQueue默认）：SynchronousQueue采用非公平锁，同时配合一个LIFO队列来管理多余的生产者和消费者，而后一种模式，如果生产者和消费者的处理速度有差距，则很容易出现饥渴的情况，即可能有某些生产者或者是消费者的数据永远都得不到处理。

学习链接：
http://blog.youkuaiyun.com/suifeng3051/article/details/48807423
http://www.cnblogs.com/liuling/p/2013-8-20-01.html
http://wsmajunfeng.iteye.com/blog/1629354
http://blog.sina.com.cn/s/blog_6145ed8101010q1y.html