Java中的几种阻塞队列

发表于 2017-05-09

Java中的BlockingQueue接口是一个线程安全的存取队列，适用于生产者消费者的应用场景中，支持两个附加操作：

生产者线程会一直不断的往阻塞队列中放入数据，直到队列满了为止。队列满了后，生产者线程阻塞等待消费者线程取出数据。
消费者线程会一直不断的从阻塞队列中取出数据，直到队列空了为止。队列空了后，消费者线程阻塞等待生产者线程放入数据。

BlockingQueue接口

BlockingQueue提供四种不同的处理方法。

抛出异常

返回特殊值

一直阻塞

超时退出

插入方法

add(o)

offer(o)

put(o)

offer(o, timeout, timeunit)

移除方法

remove(o)

poll()

take(o)

poll(o, timeout, timeunit)

检查方法

element()

peek()

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抛出异常：
- add: 插入数据时，如果阻塞队列满，那么抛出异常IllegalStateException，否则插入成功返回true。当使用有界（capacity-restricted queue）阻塞队列时，建议使用offer方法。
  - IllegalStateException - if the element cannot be added at this time due to capacity restrictions
  - ClassCastException - if the class of the specified element prevents it from being added to this queue
  - NullPointerException - if the specified element is null
  - IllegalArgumentException - if some property of the specified element prevents it from being added to this queue
- remove: 删除数据时，如果队列中有此数据，删除成功返回true，否则返回false。如果包含一个或者多个object，那么只移除一个就返回true。注意：remove(o)是BlockingQueue接口的方法，remove()是Queue接口的方法。
- element: 如果队列为空，那么抛出异常NoSuchElementException。如果队列不为空，查询返回队列头部的数据，但是不移除数据，这点不同于remove()，element同样是Queue接口的方法。
返回特殊值：
- offer: 插入数据时，如果阻塞队列没满，那么插入成功返回true，否则返回false。当使用有界（capacity-restricted queue）阻塞队列时，建议使用offer方法，不建议会抛出异常的add方法。
- poll: 此方法是Queue接口的。如果队列不为空，查询、移除并返回队列头部元素。如果队列为空，那么返回null。
- peek: 此方法是Queue接口的。如果队列为空，返回null，这点不同于poll。如果队列不为空，查询返回队列头部的数据，但是不移除数据，这点不同于remove()。
一直阻塞：
- put: 插入数据时，如果队列已满，那么阻塞等待队列可用，等待期间如果被中断，那么抛出InterruptedException。
- take: 查询、删除并返回队列头部元素，如果队列为空，那么阻塞等待队列可用，等待期间如果被中断，那么抛出InterruptedException。
超时退出：
- offer: 插入数据时，如果队列已满，那么阻塞指定时间等待队列可用，等待期间如果被中断，那么抛出InterruptedException。如果插入成功，那么返回true，如果在达到指定时间后仍然队列不可用，那么返回false。
- poll: 查询、删除并返回队列头部元素，如果队列为空，那么阻塞指定时间等待队列可用，等待期间如果被中断，那么抛出InterruptedException。如果删除成功，那么返回队列头部元素，如果在达到指定时间后仍然队列不可用，那么返回null。

Queue队列不能插入null，否则会抛出NullPointerException。

Java里的阻塞队列

JDK7提供了7个阻塞队列。分别是

ArrayBlockingQueue ：一个由数组结构组成的有界阻塞队列。
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

ArrayBlockingQueue是基于数组（array-based）的先进先出（FIFO）有界（bounded）阻塞队列。

创建队列时，必须要指定队列容量（capacity），即数组大小。
创建队列时，可以传入Collection来初始化队列元素。
队列一旦被创建，那么队列容量不能被改变。
队列支持公平模式和非公平模式，默认非公平模式。
队列中只有一把锁，写锁和读锁未分离，并发控制采用了经典的two-condition（notEmpty、notFull）算法。

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/** The queued items */

final Object[] items;

/** items index for next take, poll, peek or remove */

int takeIndex;

/** items index for next put, offer, or add */

int putIndex;

/** Number of elements in the queue */

int count;

/*

* Concurrency control uses the classic two-condition algorithm

* found in any textbook.

*/

/** Main lock guarding all access */

final ReentrantLock lock;

/** Condition for waiting takes */

private final Condition notEmpty;

/** Condition for waiting puts */

private final Condition notFull;

LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue是基于链表（linked nodes）的先进先出（FIFO）的可选界（optionally-bounded）的阻塞队列。

创建队列时，为了避免额外开销，可以指定队列容量（capacity）；如果不指定队列容量，那么默认队列容量为Integer.MAX_VALUE。
创建队列时，可以可以传入Collection来初始化队列元素，此时不能指定队列容量，默认为Integer.MAX_VALUE。
队列中的count即当前队列元素个数，采用AtomicInteger，避免put和take的竞争。
与ArrayBlockingQueue不同的是，LinkedBlockingQueue队列中有两把锁，读锁和写锁是分离的。
在使用LinkedBlockingQueue时，若队列大小为默认值，且生产速度大于消费速度时，可能会内存溢出。
LinkedBlockingQueue理论上来说比ArrayBlockingQueue有更高的吞吐量，但是在大多数的实际应用场景中，却没有很好的表现。

PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是基于数组（array based）的支持优先级的无界（unbounded）的阻塞队列。此队列的数据结构是堆。

创建队列时，如果指定初始化容量（initialCapacity），那么默认初始化容量DEFAULT_INITIAL_CAPACITY为11。
创建队列时，可以指定队列初始化容量（initialCapacity），不是队列容量（capacity）。
PriorityBlockingQueue的无界（unbounded）相对于LinkedBlockingQueue的可选界（optionally-bounded）来说，无界是指不能在创建队列时，不能指定队列的最大容量（capacity），并不是说PriorityBlockingQueue本身无界。LinkedBlockingQueue默认（注意，这里指的是默认容量，即，你可以指定大于Integer.MAX_VALUE的值）的最大容量是Integer.MAX_VALUE，而PriorityBlockingQueue的最大容量是MAX_ARRAY_SIZE=Integer.MAX_VALUE-8。
PriorityBlockingQueue无界的另一个意思就是生产者线程不会因为队列满了就阻塞，因为队列是无界的，没有容量满了这一说。offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)的后两个参数没有任何作用查看源代码发现，其方法的实现直接是调用了offer(e)。但是当队列为空时，take仍然会阻塞。
offer(e)永远不会返回false，offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)永远不会返回false或者阻塞。
PriorityBlockingQueue通过数组来实现队列，在原有数组满了的情况下，通过复制数组来扩展队列容量，如果新扩展的数组容量大小超过MAX_ARRAY_SIZE，那么抛出OutOfMemoryError异常。
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

DelayQueue是基于PriorityQueue实现的支持延时获取元素的阻塞队列。

DelayQueue中存放的对象必须实现Delayed接口。
如果没有到期元素，那么就没有head，poll方法返回null。
当一个元素的getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS)返回值小于等于0时，该元素过期。
虽然不能用take和poll移除未过期的元素，但是这些未过期的元素仍然和过期元素一样同等对待。例如，size方法返回的数量就是过期元素和未过期元素的之和。

DelayQueue的适用场景：

关闭空闲链接。服务器中有很多空闲链接，在一定时间后，关闭他们。
删除过期缓存。在一定时间后，删除某些缓存的对象。
任务超时处理。在网络协议滑动窗口请求应答式交互时，处理超时未响应的请求。
生成订单后的60秒后，给用户发送短信通知。
下单15分钟后，如果用户不付款就关闭订单。

通过上面几条场景例子，可以看出来，DelayQueue适用于在一定时间后，做某些业务处理。

SynchronousQueue

SynchronousQueue是一个没有数据缓冲的BlockingQueue。

一个线程的插入必须等待另一个线程的删除操作才能完成，反之亦然。
SynchronousQueue适合传递性设计（handoff designs），即一个线程中运行的对象，需要将某些信息、任务或者事件等传递给另一个线程中运行的对象的场景。
SynchronousQueue支持公平和非公平模式。
不能在同步队列上进行peek，因为仅在试图要移除元素时，该元素才存在。
不能迭代队列，因为其中没有元素可用于迭代。
Executors.newCachedThreadPool()中就使用了SynchronousQueue队列。

LinkedTransferQueue

LinkedTransferQueue是基于链表（linked nodes）的无界（unbounded）阻塞队列。

无界队列（Integer.MAX_VALUE），进出队列采用FIFO（先进先出）原则。
生产者会一直阻塞直到所添加到队列的元素被某一个消费者所消费。主要用于线程间消息的传递，与SynchronousQueue很类似，但是比起SynchronousQueue更好用。
LinkedTransferQueue既可以使用BlockingQueue的put方法进行常规的添加元素操作，也可以使用transfer方法进行阻塞添加。
相比SynchronousQueue灵活之处在于，队列长度非0，阻塞插入和非阻塞插入的元素可以共存。
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。