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14. 阻塞队列 BlockingQueue

PangHu大约 10 分钟

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：意思是当队列满时，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：意思是在队列为空时，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。

插入和移除操作的4种处理方式

方法/处理方式抛出异常返回特殊值一直阻塞超时退出
插入方法add(e)offer(e)put(e)offer(e,time,unit)
移除方法remove()poll()take()poll(time,unit)
检查方法element()peek()不可用不可用
  • 抛出异常：当队列满时，如果再往队列里插入元素，会抛出 IllegalStateException （"Queue full"）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，如果消费者线程从队列里 take 元素，队列会阻塞住消费者线程，直到队列不为空。
  • 超时退出：当阻塞队列满时，如果生产者线程往队列里插入元素，队列会阻塞生产者线程一段时间，如果超过了指定的时间，生产者线程就会退出。

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。

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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（FIFO）的原则对元素进行排序。 默认情况下不保证线程公平的访问队列，所谓公平访问队列是指阻塞的线程，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。

阻塞式写方法

在ArrayBlockingQueue中提供了两个阻塞式写方法，分别如下（在该队列中，无论是阻塞式写方法还是非阻塞式写方法，都不允许写入null）。

  • void put(E e)：向队列的尾部插入新的数据，当队列已满时调用该方法的线程会进入阻塞，直到有其他线程对该线程执行了中断操作，或者队列中的元素被其他线程消费。
  • boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)：向队列尾部写入新的数据，当队列已满时执行该方法的线程在指定的时间单位内将进入阻塞，直到到了指定的超时时间后，或者在此期间有其他线程对队列数据进行了消费。

put() 方法示例

public class ArrayBlockingQueueExample1 {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayBlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<>(3);
        try {
            queue.put("class 1");
            queue.put("class 2");
            queue.put("class 3");
            // 超过指定得容量当前线程阻塞
            queue.put("class 4");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

非阻塞式写方法

当队列已满时写入数据，如果不想使得当前线程进入阻塞，那么就可以使用非阻塞式的写操作方法。

  • boolean add(E e)：向队列尾部写入新的数据，当队列已满时不会进入阻塞，但是该方法会抛出队列已满的异常。
  • boolean offer(E e)：向队列尾部写入新的数据，当队列已满时不会进入阻塞，并且会立即返回 false。

add() 方法示例

public class ArrayBlockingQueueExample2 {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayBlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<>(3);
        queue.add("class 1");
        queue.add("class 2");
        queue.add("class 3");
        //  超过指定容量 抛出异常
        queue.add("class 4");
    }
}
// 抛出异常

阻塞式读方法

  • E take()：从队列头部获取数据，并且该数据会从队列头部移除，当队列为空时执行take方法的线程将进入阻塞，直到有其他线程写入新的数据，或者当前线程被执行了中断操作。
  • E poll(long timeout, TimeUnit unit)：从队列头部获取数据并且该数据会从队列头部移除，如果队列中没有任何元素时则执行该方法，当前线程会阻塞指定的时间，直到在此期间有新的数据写入，或者阻塞的当前线程被其他线程中断，当线程由于超时退出阻塞时，返回值为null。

take() 方法示例

public class ArrayBlockingQueueExample3 {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayBlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<>(3);
        queue.add("class 1");
        queue.add("class 2");
        queue.add("class 3");
        try {
            // 取出对头元素
            System.out.println(queue.take());
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        // 队列大小 
        System.out.println(queue.size());
    }
}
//class 1
// 2

非阻塞式读方法

  • E poll()：从队列头部获取数据并且该数据会从队列头部移除，当队列为空时，该方法不会使得当前线程进入阻塞，而是返回null值。
  • E peek()：当队列为空时，该方法不会使得当前线程进入阻塞，而是返回null值。
public class ArrayBlockingQueueExample4 {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayBlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<>(3);
        // 队列无元素 直接返回 null
        System.out.println(queue.poll( ));
        System.out.println(queue.peek( ));
    }
}
// null
// null

部分源码

    public void put(E e) throws InterruptedException {
        // 检查元素
        checkNotNull(e);
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        // 获取锁
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            // 元素满 一直阻塞，队列非满时，被唤醒
            while (count == items.length)
                notFull.await();
            // 入队
            enqueue(e);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public E take() throws InterruptedException {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
         // 获取锁
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            // 队列为空 等待
            while (count == 0)
                notEmpty.await();
            // 出队
            return dequeue();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

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 来对元素进行排序。需要注意的是不能保证同优先级元素的顺序。

public class PriorityBlockingQueueExample1 {
    public static void main(String[] args) {
        PriorityBlockingQueue<Integer> queue = new PriorityBlockingQueue();
        queue.offer(1);
        queue.offer(12);
        queue.offer(21);
        queue.offer(6);
		// 内部排序
        System.out.println(queue.poll()); // 1
        System.out.println(queue.poll()); // 6
        System.out.println(queue.poll()); // 12
        System.out.println(queue.poll()); //21

    }
}

DelayQueue

DelayQueue是一个支持延时获取元素的无界阻塞队列。队列使用PriorityQueue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非常有用，可以将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。
  • 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，比如TimerQueue就是使用DelayQueue实现的。

DelayQueue队列的元素必须实现Delayed接口。我们可以参考ScheduledThreadPoolExecutor里ScheduledFutureTask类的实现。

public class DelayQueueExample1 {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        DelayQueue<DelayedEntry> queue = new DelayQueue<>();
        // 延期3秒 处理
        queue.put(new DelayedEntry("A", 30000L));
        // 延期10 秒处理
        queue.add(new DelayedEntry("B", 10000L));
        // 延期 20 秒处理
        queue.add(new DelayedEntry("C", 20000L));
        int size = queue.size();
        System.out.println("当前时间是：" + LocalDateTime.now());
        // 从延时队列中获取元素， 将输出 A，B，C
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            System.out.println(queue.take() + " ------ " + LocalDateTime.now());
        }
    }
}

/**
 * 继承 Delayed 接口
 */
class DelayedEntry implements Delayed {
    /**
     * 元素数据内容
     */
    private final String value;
    /**
     * 用于计算失效时间
     */
    private final long exeTime;

    DelayedEntry(String value, long exeTime) {
        this.value = value;
        this.exeTime = exeTime + System.currentTimeMillis();
    }

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

    @Override
    public int compareTo(Delayed o) {
        DelayedEntry t = (DelayedEntry) o;
        if (this.exeTime < t.exeTime) {
            return -1;
        } else if (this.exeTime > t.exeTime) {
            return 1;
        } else {
            return 0;
        }

    }

    @Override
    public String toString() {
        return "DelayedEntry{" +
                "value=" + value +
                ", exeTime=" + exeTime +
                '}';
    }
}

//当前时间是：2020-10-15T16:26:37.167
//DelayedEntry{value=B, exeTime=1602750407104} ------ 2020-10-15T16:26:47.117
// DelayedEntry{value=C, exeTime=1602750417104} ------ 2020-10-15T16:26:57.105
//DelayedEntry{value=A, exeTime=1602750427104} ------ 2020-10-15T16:27:07.104

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。 它支持公平访问队列。默认情况下线程采用非公平性策略访问队列。使用以下构造方法可以创建公平性访问的SynchronousQueue，如果设置为true，则等待的线程会采用先进先出的顺序访问队列。

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消费了才返回。transfer 方法的关键代码如下

  • tryTransfer方法

    tryTransfer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。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。 对于带有时间限制的tryTransfer（E e，long timeout，TimeUnit unit）方法，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 时可以设置容量防止其过度膨胀。另外，双向阻塞队列可以运用在“工作窃取”模式中。