本文摘自《Java并發編程的藝術-方騰飛》

本節將介紹什么是阻塞隊列，以及Java中阻塞隊列的4種四種處理方式，并介紹Java7（Java8相同）中提供的7種阻塞隊列，稍后分析阻塞隊列的一種實現方式。

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1. 什么是阻塞隊列

? 阻塞隊列（BlockingQueue）是一個支持兩個附加操作的隊列。這兩個附加的操作支持阻塞的插入和移除方法

? 1. 支持阻塞的插入方法：意思是當隊列滿時，隊列會阻塞插入元素的線程，直到隊列不滿

? 2. 支持阻塞的移除方法：意思是在隊列為空時，獲取元素的線程會等待隊列變為非空

? 阻塞隊列常用于生產者和消費者的場景，生產者是向隊列里添加元素的線程，消費者是從隊列里取元素的線程。阻塞隊列就是生產者用來存放元素、消費者用來獲取元素的容器

? 在阻塞隊列不可用時，這兩個附加操作提供了4種處理方式，如表1所示

• 插入和移除操作的 4 中處理方式

• 拋出異常：當隊列滿時，如果再往隊列里插入元素，會拋出 IllegalStateException（"Queue full"）異常。當隊列空時，從隊列里獲取元素會拋出 NoSuchElementException異常
• 返回特殊值：當往隊列插入元素時，會返回元素是否插入成功，成功返回 true。如果是移除方法，則是從隊列里取出一個元素，如果沒有則返回 null
• 一直阻塞：當阻塞隊列滿時，如果生產者線程往隊列里 put 元素，隊列會一直阻塞生產者線程，直到隊列可用或者響應中斷退出。當隊列空時，如果消費者線程從隊列里take 元素，隊列會阻塞住消費者線程，直到隊列不為空
• 超時退出：當阻塞隊列滿時，如果生產者線程往隊列里插入元素，隊列會阻塞生產者線程一段時間，如果超過了指定的時間，生產者線程就會退出

這兩個附加操作的 4 種處理方式不方便記憶，所以我找了一下這幾個方法的規律。put和 take 分別尾首含有字母 t，offer 和 poll 都含有字母 o

注意：如果是無界阻塞隊列，隊列不可能會出現滿的情況，所以使用 put 或 offer 方法永遠不會被阻塞，而且使用 offer 方法時，該方法永遠返回 true

2. Java里的阻塞隊列

JDK7提供了7個阻塞隊列，如下：

• ArrayBlockingQueue：一個由數組結構組成的有界阻塞隊列

• LinkedBlockingQueue：一個由鏈表結構組成的有界阻塞隊列

• PriorityBlockingQueue：一個支持優先級排序的無界阻塞隊列

• DelayQueue：一個使用優先級隊列實現的無界阻塞隊列

• SynchronousQueue：一個不存儲元素的阻塞隊列

• LinkedTransferQueue：一個由鏈表結構組成的無界阻塞隊列

• LinkedBlockingDeque：一個由鏈表結構組成的雙向阻塞隊列。

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1. ArrayBlockingQueue

   • ? ArrayBlockingQueue 是一個用數組實現的有界阻塞隊列。此隊列按照先進先出（FIFO）的原則對元素進行排序
   • 默認情況下不保證線程公平的訪問隊列，所謂公平訪問隊列是指阻塞的線程，可以按照阻塞的先后順序訪問隊列，即先阻塞線程先訪問隊列。非公平性是對先等待的線程是非公平的，當隊列可用時，阻塞的線程都可以爭奪訪問隊列的資格，有可能先阻塞的線程最后才訪問隊列。為了保證公平性，通常會降低吞吐量。我們可以使用以下代碼創建一個公平的阻塞隊列

   ArrayBlockingQueue  fairQueue  =  new   ArrayBlockingQueue (1000. true) ;
   

   • 訪問者的公平性是使用可重入鎖實現的，代碼如下：

   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();
   }
                  
   

2. LinkedBlockingQueue

   • LinkedBlockingQueue是一個用鏈表實現的有界阻塞隊列。此隊列的默認和最大長度為Integer.MAX VALUE。此隊列按照先進先出的原則對元素進行排序。

3. .PriorityBlockingQueue

   • PriorityBlockingQueue是一個支持優先級的無界阻塞隊列。默認情況下元素采取自然順序升序排列。也可以自定義類實現compareTo()方法來指定元素排序規則，或者初始化PriorityBlockingQueue時，指定構造參數Comparator來對元素進行排序。需要注意的是不能保證同優先級元素的順序。

4. DelayQueue

   • DelayQueue是一個支持延時獲取元素的無界阻塞隊列。隊列使用PriorityQueue來實現。隊列中的元素必須實現Delayed接口，在創建元素時可以指定多久才能從隊列中獲取當前元素。只有在延遲期滿時才能從隊列中提取元素
   • DelayQueue非常有用，可以將DelayQueue運用在以下應用場景:
     • 緩存系統的設計：可以用DelayQueue保存緩存元素的有效期，使用一個線程循環查詢DelayQueue，一旦能從DelayQueue中獲取元素時，表示緩存有效期到了
     • 定時任務調度：使用DelayQueue保存當天將會執行的任務和執行時間，一旦從DelayQueue中獲取到任務就開始執行，比如TimerQueue就是使用DelayQueue實現的

5. SynchronousQueue

   • SynchronousQueue是一個不存儲元素的阻塞隊列。每一個put操作必須等待一個take操作，否則不能繼續添加元素
   • 它支持公平訪問隊列。默認情況下線程采用非公平性策略訪問隊列。使用以下構造方法可以創建公平性訪問的SynchronousQueue，如果設置為true，則等待的線程會采用先進先出的順序訪問隊列

   public SynchronousQueue(boolean fair){
       transferer = fair?new TransferQueue():new TransferStack();
   }
   

   • SynchronousQueue可以看成是一個傳球手，負責把生產者線程處理的數據直接傳遞給消費者線程。隊列本身并不存儲任何元素，非常適合傳遞性場景。SynchronousQueue的吞吐量高于LinkedBlockingQueue和ArrayBlockingQueue

6. LinkedTransferQueue

   • LinkedTransferQueue是一個由鏈表結構組成的無界阻塞TransferQueue隊列。相對于其他阻塞隊列，LinkedTransferQueue多了tryTransfer和transfer方法。

     • transfer方法

       如果當前有消費者正在等待接收元素（消費者使用take0方法或帶時間限制的poll0方法時），transfer方法可以把生產者傳人的元素立刻transfer（傳輸）給消費者。如果沒有消費者在等待接收元素，transfer方法會將元素存放在隊列的tail節點，并等到該元素被消費者消費了才返回。transfer方法的關鍵代碼如下

       Node pred = tryAppend(S,haveData);
       return awaitMatch(s,pred,e,(how = TIMED),nanos);
       

       第一行代碼是試圖把存放當前元素的s節點作為tail節點。第二行代碼是讓CPU自旋等待消費者消費元素。因為自旋會消耗CPU，所以自旋一定的次數后使用Thread.yield0方法來暫停當前正在執行的線程，并執行其他線程

     • tryTransfer方法

       • tryTransfer方法是用來試探生產者傳人的元素是否能直接傳給消費者。如果沒有消費者等待接收元素，則返回false。和transfer方法的區別是tryTransfer方法無論消費者是否接收，方法立即返回，而transfer方法是必須等到消費者消費了才返回。
       • 對于帶有時間限制的tryTransfer(E e，long timeout，TimeUnit unit)方法，試圖把生產者傳人的元素直接傳給消費者，但是如果沒有消費者消費該元素則等待指定的時間再返回，如果超時還沒消費元素，則返回false，如果在超時時間內消費了元素，則返回true。

7. LinkedBlockingDeque

   • LinkedBlockingDeque是一個由鏈表結構組成的雙向阻塞隊列。所謂雙向隊列指的是可以從隊列的兩端插入和移出元素。雙向隊列因為多了一個操作隊列的入口，在多線程同時人隊時，也就減少了一半的競爭。相比其他的阻塞隊列，LinkedBlockingDeque多了addFirst、addLast、offerFirst、offerLast、peekFirst和peekLast等方法，以First單詞結尾的方法，表示插入、獲取( peek)或移除雙端隊列的第一個元素。以Last單詞結尾的方法，表示插入、獲取或移除雙端隊列的最后一個元素。另外，插入方法add等同于addLast，移除方法remove等效于removeFirst。但是take方法卻等同于takeFirst，不知道是不是JDK的bug，使用時還是用帶有First和Last后綴的方法更清楚。

   • 在初始化LinkedBlockingDeque時可以設置容量防止其過度膨脹。另外，雙向阻塞隊列可以運用在“工作竊取”模式中。