Java并发编程：阻塞队列　　在前面几篇文章中，我们讨论了同步容器(Hashtable、Vector），也讨论了并发容器

　　在前面几篇文章中，我们讨论了同步容器(Hashtable、Vector），也讨论了并发容器（ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList），这些工具都为我们编写多线程程序提供了很大的方便。今天我们来讨论另外一类容器：阻塞队列。

　　在前面我们接触的队列都是非阻塞队列，比如PriorityQueue、LinkedList（LinkedList是双向链表，它实现了Dequeue接口）。

　　使用非阻塞队列的时候有一个很大问题就是：它不会对当前线程产生阻塞，那么在面对类似消费者-生产者的模型时，就必须额外地实现同步策略以及线程间唤醒策略，这个实现起来就非常麻烦。但是有了阻塞队列就不一样了，它会对当前线程产生阻塞，比如一个线程从一个空的阻塞队列中取元素，此时线程会被阻塞直到阻塞队列中有了元素。当队列中有元素后，被阻塞的线程会自动被唤醒（不需要我们编写代码去唤醒）。这样提供了极大的方便性。

　　本文先讲述一下java.util.concurrent包下提供主要的几种阻塞队列，然后分析了阻塞队列和非阻塞队列的中的各个方法，接着分析了阻塞队列的实现原理，最后给出了一个实际例子和几个使用场景。

　　一.几种主要的阻塞队列

　　二.阻塞队列中的方法 VS 非阻塞队列中的方法

　　三.阻塞队列的实现原理

　　四.示例和使用场景

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一.几种主要的阻塞队列

　　自从Java 1.5之后，在java.util.concurrent包下提供了若干个阻塞队列，主要有以下几个：

　　ArrayBlockingQueue：基于数组实现的一个阻塞队列，在创建ArrayBlockingQueue对象时必须制定容量大小。并且可以指定公平性与非公平性，默认情况下为非公平的，即不保证等待时间最长的队列最优先能够访问队列。

　　LinkedBlockingQueue：基于链表实现的一个阻塞队列，在创建LinkedBlockingQueue对象时如果不指定容量大小，则默认大小为Integer.MAX_VALUE。

　　PriorityBlockingQueue：以上2种队列都是先进先出队列，而PriorityBlockingQueue却不是，它会按照元素的优先级对元素进行排序，按照优先级顺序出队，每次出队的元素都是优先级最高的元素。注意，此阻塞队列为无界阻塞队列，即容量没有上限（通过源码就可以知道，它没有容器满的信号标志），前面2种都是有界队列。

　　DelayQueue：基于PriorityQueue，一种延时阻塞队列，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也是一个无界队列，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。

二.阻塞队列中的方法 VS 非阻塞队列中的方法

1.非阻塞队列中的几个主要方法：

　　add(E e):将元素e插入到队列末尾，如果插入成功，则返回true；如果插入失败（即队列已满），则会抛出异常；

　　remove()：移除队首元素，若移除成功，则返回true；如果移除失败（队列为空），则会抛出异常；

　　offer(E e)：将元素e插入到队列末尾，如果插入成功，则返回true；如果插入失败（即队列已满），则返回false；

　　poll()：移除并获取队首元素，若成功，则返回队首元素；否则返回null；

　　peek()：获取队首元素，若成功，则返回队首元素；否则返回null

　　对于非阻塞队列，一般情况下建议使用offer、poll和peek三个方法，不建议使用add和remove方法。因为使用offer、poll和peek三个方法可以通过返回值判断操作成功与否，而使用add和remove方法却不能达到这样的效果。注意，非阻塞队列中的方法都没有进行同步措施。

2.阻塞队列中的几个主要方法：

　　阻塞队列包括了非阻塞队列中的大部分方法，上面列举的5个方法在阻塞队列中都存在，但是要注意这5个方法在阻塞队列中都进行了同步措施。除此之外，阻塞队列提供了另外4个非常有用的方法：

　　put(E e)

　　take()

　　offer(E e,long timeout, TimeUnit unit)

　　poll(long timeout, TimeUnit unit)

　　put方法用来向队尾存入元素，如果队列满，则等待；

　　take方法用来从队首取元素，如果队列为空，则等待；

　　offer方法用来向队尾存入元素，如果队列满，则等待一定的时间，当时间期限达到时，如果还没有插入成功，则返回false；否则返回true；

　　poll方法用来从队首取元素，如果队列空，则等待一定的时间，当时间期限达到时，如果取到，则返回null；否则返回取得的元素；

三.阻塞队列的实现原理

　　前面谈到了非阻塞队列和阻塞队列中常用的方法，下面来探讨阻塞队列的实现原理，本文以ArrayBlockingQueue为例，其他阻塞队列实现原理可能和ArrayBlockingQueue有一些差别，但是大体思路应该类似，有兴趣的朋友可自行查看其他阻塞队列的实现源码。

　　首先看一下ArrayBlockingQueue类中的几个成员变量：

1234567891011121314151617181920212223242526 public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>``implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable { private static final long serialVersionUID = -817911632652898426L; /** The queued items */``private final E[] items;``/** items index for next take, poll or remove */``private int takeIndex;``/** items index for next put, offer, or add. */``private int putIndex;``/** Number of items in the queue */``private int count; /*``* Concurrency control uses the classic two-condition algorithm``* found in any textbook.``*/ /** Main lock guarding all access */``private final ReentrantLock lock;``/** Condition for waiting takes */``private final Condition notEmpty;``/** Condition for waiting puts */``private final Condition notFull;``}

　　可以看出，ArrayBlockingQueue中用来存储元素的实际上是一个数组，takeIndex和putIndex分别表示队首元素和队尾元素的下标，count表示队列中元素的个数。

　　lock是一个可重入锁，notEmpty和notFull是等待条件。

　　下面看一下ArrayBlockingQueue的构造器，构造器有三个重载版本：

12345678	`public` `ArrayBlockingQueue(` `int` capacity) {``}``public `ArrayBlockingQueue(` `int` `capacity,` `boolean` `fair) {` }``public `ArrayBlockingQueue(` `int` `capacity,` `boolean` fair,`` `Collection<?` `extends` E> c) {``}

　　第一个构造器只有一个参数用来指定容量，第二个构造器可以指定容量和公平性，第三个构造器可以指定容量、公平性以及用另外一个集合进行初始化。

　　然后看它的两个关键方法的实现：put()和take()：

123456789101112131415161718 public void put(E e) throws InterruptedException {`` if (e == null ) throw new NullPointerException();`` final E[] items = this .items;`` final ReentrantLock lock = this .lock;`` lock.lockInterruptibly();`` try {`` try {`` while (count == items.length)`` notFull.await();`` } catch (InterruptedException ie) {`` notFull.signal(); // propagate to non-interrupted thread`` throw ie;`` }`` insert(e);`` } finally {`` lock.unlock();`` }``}

　　从put方法的实现可以看出，它先获取了锁，并且获取的是可中断锁，然后判断当前元素个数是否等于数组的长度，如果相等，则调用notFull.await()进行等待，如果捕获到中断异常，则唤醒线程并抛出异常。

　　当被其他线程唤醒时，通过insert(e)方法插入元素，最后解锁。

　　我们看一下insert方法的实现：

123456	`private` `void` insert(E x) {`` items[putIndex] = x;`` putIndex = inc(putIndex);`` ++count;`` notEmpty.signal();``}

　　它是一个private方法，插入成功后，通过notEmpty唤醒正在等待取元素的线程。

　　下面是take()方法的实现：

1234567891011121314151617	`public` `E take()` `throws` InterruptedException {`` `final` `ReentrantLock lock =` `this` .lock;`` lock.lockInterruptibly();`` `try` {`` `try` {`` `while` `(count ==` `0` )`` notEmpty.await();`` `}` `catch` (InterruptedException ie) {`` `notEmpty.signal();` // propagate to non-interrupted thread`` `throw` ie;`` }`` E x = extract();`` `return` x;`` `}` `finally` {`` lock.unlock();`` }``}

　　跟put方法实现很类似，只不过put方法等待的是notFull信号，而take方法等待的是notEmpty信号。在take方法中，如果可以取元素，则通过extract方法取得元素，下面是extract方法的实现：

123456789	`private` E extract() {`` `final` `E[] items =` `this` .items;`` E x = items[takeIndex];`` `items[takeIndex] =` `null` ;`` takeIndex = inc(takeIndex);`` --count;`` notFull.signal();`` `return` x;``}

　　跟insert方法也很类似。

　　其实从这里大家应该明白了阻塞队列的实现原理，事实它和我们用Object.wait()、Object.notify()和非阻塞队列实现生产者-消费者的思路类似，只不过它把这些工作一起集成到了阻塞队列中实现。

四.示例和使用场景

　　下面先使用Object.wait()和Object.notify()、非阻塞队列实现生产者-消费者模式：

12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849505152535455565758596061626364656667 public class Test {`` private int queueSize = 10 ;`` private PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<Integer>(queueSize);`` public static void main(String[] args) {`` Test test = new Test();`` Producer producer = test. new Producer();`` Consumer consumer = test. new Consumer();`` producer.start();`` consumer.start();`` }`` class Consumer extends Thread{`` @Override`` public void run() {`` consume();`` }`` private void consume() {`` while ( true ){`` synchronized (queue) {`` while (queue.size() == 0 ){`` try {`` System.out.println( "队列空，等待数据" );`` queue.wait();`` } catch (InterruptedException e) {`` e.printStackTrace();`` queue.notify();`` }`` }`` queue.poll(); //每次移走队首元素`` queue.notify();`` System.out.println( "从队列取走一个元素，队列剩余" +queue.size()+ "个元素" );`` }`` }`` }`` }`` class Producer extends Thread{`` @Override`` public void run() {`` produce();`` }`` private void produce() {`` while ( true ){`` synchronized (queue) {`` while (queue.size() == queueSize){`` try {`` System.out.println( "队列满，等待有空余空间" );`` queue.wait();`` } catch (InterruptedException e) {`` e.printStackTrace();`` queue.notify();`` }`` }`` queue.offer( 1 ); //每次插入一个元素`` queue.notify();`` System.out.println( "向队列取中插入一个元素，队列剩余空间：" +(queueSize-queue.size()));`` }`` }`` }`` }``}

　　这个是经典的生产者-消费者模式，通过阻塞队列和Object.wait()和Object.notify()实现，wait()和notify()主要用来实现线程间通信。

　　具体的线程间通信方式（wait和notify的使用）在后续问章中会讲述到。

　　下面是使用阻塞队列实现的生产者-消费者模式：

123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051 public class Test {`` private int queueSize = 10 ;`` private ArrayBlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<Integer>(queueSize);`` public static void main(String[] args) {`` Test test = new Test();`` Producer producer = test. new Producer();`` Consumer consumer = test. new Consumer();`` producer.start();`` consumer.start();`` }`` class Consumer extends Thread{`` @Override`` public void run() {`` consume();`` }`` private void consume() {`` while ( true ){`` try {`` queue.take();`` System.out.println( "从队列取走一个元素，队列剩余" +queue.size()+ "个元素" );`` } catch (InterruptedException e) {`` e.printStackTrace();`` }`` }`` }`` }`` class Producer extends Thread{`` @Override`` public void run() {`` produce();`` }`` private void produce() {`` while ( true ){`` try {`` queue.put( 1 );`` System.out.println( "向队列取中插入一个元素，队列剩余空间：" +(queueSize-queue.size()));`` } catch (InterruptedException e) {`` e.printStackTrace();`` }`` }`` }`` }``}