本文系《Java并发编程读书笔记》
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。这两个附加的操作支持阻塞的插入和移除方法。
- 支持阻塞的插入方法：当队列满时，队列会阻塞插入元素的线程，直到队列不满。
- 支持阻塞的移除方法：当队列为空时，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，如下所示：
-
抛出异常：当队列满时，如果再往队列里插入元素，会抛出IllegalArgumentException异常。当队列空时，从队列里获取元素会抛出NoSuchElementException异常。
-
返回特殊值：当往队列插入元素时，会返回元素是否插入成功，成功返回true。如果是移除方法，则是从队列里取出一个元素，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，直到队列可用或者响应中断退出。当队列空时，如果消费者从队列里take元素，队列会阻塞住消费者线程，直到队列不为空。
tips: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。
JDK提供的阻塞队列
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的原则对元素进行排序。构造方法如下：
public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
this(capacity, false);
}
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();
}
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair,
Collection<? extends E> c) {
this(capacity, fair);
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock(); // Lock only for visibility, not mutual exclusion
try {
int i = 0;
try {
for (E e : c) {
checkNotNull(e);
items[i++] = e;
}
} catch (ArrayIndexOutOfBoundsException ex) {
throw new IllegalArgumentException();
}
count = i;
putIndex = (i == capacity) ? 0 : i;
} finally {
lock.unlock();
}
}
参数fair用于设置线程是否公平访问队列。所谓公平访问是指阻塞的线程，可以按照阻塞的先后顺序访问队列，即先阻塞线程先访问队列。非公平性是对先等待的线程是非公平的，当队列可用时，阻塞的线程都可以争夺访问队列的资格，有可能先阻塞的线程最后才访问队列。为了保证公平性，通常会降低吞吐量。
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。
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。也可以自定义类实现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来进行排序。需要注意的是不能保证同优先级元素的顺序。
DelayQueue
DelayQueue是一个支持延时获取元素的无界阻塞队列。队列使用PriorityBlockingQueue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。
- 任务超时处理：比如下单后15分钟内未付款，自动关闭订单。
如何实现Delayed接口
DelayQueue队列的元素必须实现Delayed接口。可以参考ScheduledThreadPoolExecutor里ScheduledFutureTask类的实现，步骤如下：
-
在对象创建的对象，初始化基本数据。使用time记录当前对象延迟到什么时候可以使用，使用sequenceNumber来标识元素在队列中的先后顺序。代码如下：
private static final AtomicLong sequencer = new AtomicLong(); ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns) { super(r, result); this.time = ns; this.period = 0; this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement(); } -
实现getDelay方法，该方法返回当前元素还需要延长多长时间，单位是纳秒。代码如下：
public long getDelay(TimeUnit unit) { return unit.convert(time - now(), 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，实现getDelay()方法时可以指定任意单位，一旦以秒或分作为单位，而延时时间精确不到纳秒就麻烦了。使用时注意当time小于当前时间时，getDelay会返回负数。
-
实现compareTo方法来指定元素的顺序。例如，让延时时间最长的放在队列的末尾。代码如下
public int compareTo(Delayed other) { if (other == this) // compare zero 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 diff = getDelay(NANOSECONDS) - other.getDelay(NANOSECONDS); return (diff < 0) ? -1 : (diff > 0) ? 1 : 0; }
如何实现延时阻塞队列
延时阻塞队列的实现很简单，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。
private Thread leader = null;
private final Condition available = lock.newCondition();
public E take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
for (;;) {
E first = q.peek();
if (first == null)
available.await();
else {
long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
if (delay <= 0)
return q.poll();
first = null; // don't retain ref while waiting
if (leader != null)
available.await();
else {
Thread thisThread = Thread.currentThread();
leader = thisThread;
try {
available.awaitNanos(delay);
} finally {
if (leader == thisThread)
leader = null;
}
}
}
}
} finally {
if (leader == null && q.peek() != null)
available.signal();
lock.unlock();
}
}
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。构造函数如下：
public SynchronousQueue() {
this(false);
}
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。
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。
-
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了才返回。
-
tryTransfer方法tryTransfer方法时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fasle。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。
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、获取或移除双向队列的最后一个元素。
阻塞队列原理
如果队列是空的，消费者会一直等待，当生产者添加元素时，消费者是如何知道当前队列有元素的呢？JDK使用通知模式实现的。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主生产者，当消息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。
ArrayBlockingQueue使用Condition来实现，代码如下：
private final Condition notEmpty;
private final Condition notFull;
public E take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == 0) // 队列为空时，阻塞当前消费者
notEmpty.await();
return dequeue();
} finally {
lock.unlock();
}
}
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();
}
}
private void enqueue(E x) {
final Object[] items = this.items;
items[putIndex] = x;
if (++putIndex == items.length)
putIndex = 0;
count++;
notEmpty.signal(); // 队列不为空时，通知消息者获取元素
}
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