阻塞队列分析

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前言

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 在分析多线程的文章中，咱们知道了Executors是经过阻塞队列接受任务。例如 FixedThreadPool 使用的是 LinkedBlockingQueue, CachedThreadPool 使用的是 SynchronousQueue。阻塞队列的基类是 BlockingQueue，他的实现类以下所示

 

BlockingQueue的api咱们须要重点关注下，理解了这些api的做用，对于实现类的分析会轻松不少。

类型	api名称	是否阻塞	简述
放入数据	offer(anObject)	否	将anObject加到BlockingQueue里,即若是BlockingQueue能够容纳,则返回true,不然返回false
	offer(E o, long timeout, TimeUnit unit)	否	能够设定等待的时间，若是在指定的时间内，还不能往队列中加入BlockingQueue，则返回失败
	put(anObject)	是	把anObject加到BlockingQueue里,若是BlockQueue没有空间,则调用此方法的线程被阻断直到BlockingQueue里面有空间再继续
获取数据	poll(time)	否	取走BlockingQueue里排在首位的对象,若不能当即取出,则能够等time参数规定的时间,取不到时返回null
	poll(long timeout, TimeUnit unit)	否	同上
	take()	是	取走BlockingQueue里排在首位的对象,若BlockingQueue为空,阻断进入等待状态直到BlockingQueue有新的数据被加入
	drainTo()	否	一次性从BlockingQueue获取全部可用的数据对象（还能够指定获取数据的个数），经过该方法，能够提高获取数据效率；不须要屡次分批加锁或释放锁

 

 

 

 

 

 

 

 

重点关注表中的阻塞类型的方法，他们是阻塞队列的核心。接下来说述几个经常使用的阻塞队列的存取数据api。

ArrayBolckingQueue

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在ArrayBlockingQueue内部，维护了一个定长数组，以便缓存队列中的数据对象。咱们先看offer方法

咱们再看下 enqueue

 

以上是非阻塞的存放。咱们再看阻塞版本的存放

能够看到，两种方式的差异其实很小，一个是阻塞一段时间后直接返回false，一个是无限期的阻塞。咱们再看下取数据的api。

再看下dequeue

 以上就是ArrayBlockingQunue的具体分析。

 

LinkedBlockingQueue

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 LinkedBlockingQueue是基于链表的阻塞队列，首先须要注意的是LinkedBlockingQueue是能够无界的,当你不指定容量时他默认的大小是 Integer.MAX_VALUE

链表经过内部的Node来实现，能够看出这是个单项链表。

接下来，咱们再看下具体的api 

咱们看下 enqueue，就是一个简单的链表操做。

put的操做和offer类似，这里就省略了，再看下poll

看下dequeue，把头结点取出来，把下个节点设为头结点

以上就是LinkedBlockingQueue。

经过上述两种队列的讲解，咱们大概知道了队列存取元素的大体过程，其余队列和上述两种队列的api大体相同，因此接下重点讲述队列的大体特色，再也不对api进行详细的描述。

 

PriorityQueue

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     PriorityQueue并非阻塞队列，在这里讲述是由于，接下来的几个队列都是基于他的扩展。PriorityQueue和ArrayBlockingQueue同样，内部维护了一个定长数组，若是不指定长度，默认长度就是11。PriorityQueue是一个优先级队列，元素的顺序并非按照插入顺序而来，而是按照元素的大小来判断。默认的比较器是从小到大，即队首的元素老是最小的。固然。能够自定义比较器。

    PriorityQueue的优先级经过二叉小顶堆实现，他的逻辑结构是一棵彻底二叉树，存储结构实际上是一个数组。逻辑结构层次遍历的结果恰好是一个数组。这里借鉴网上的一幅图

 

咱们看下添加元素的过程，这里重点是siftUp方法

            

由上图能够看出，PriorityQunue 最关键的即是 比较-交换 步骤。 添加元素都是先放到最后，而后再与本身的父节点比较

再看下获取元素的步骤

      

 这里还有种状况，就是方法，删除中间的某个元素，这就是上述两种变化的结合，首先删除 i 下标的元素，而后把末尾的元素放置到 i 坐标，先向下比较看看，再向上比较。具体的代码这里就省略了。

 以上就是PriorityQueue的具体分析。

 

DelayQueue

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DelayQueue 是延迟阻塞队列，队列中的元素只有当其指定的延迟时间到了，才可以从队列中获取到该元素。DelayQueue是一个没有大小限制的队列，所以往队列中插入数据的操做（生产者）永远不会被阻塞，而只有获取数据的操做（消费者）才会被阻塞。

DelayQueue内部经过PriorityQueue实现延迟的权重排序 ，其比较器是 Comparable<Delayed> 

主要看存元素的api

这里关键的是  

first.getDelay(NANOSECONDS)>0

 因此咱们在实现 Delayed的时候 实现类里面必定得要有时间能够记录到什么过时，若是过时了必定要返回负数

DelayQueue平时比较少见，可是咱们能够用它作一些很灵活的事情，例如缓存过时，空闲链接去除。按照DelayQueue的特性，队首的元素老是最早过时的，咱们能够用一个后台线程监听DelayQueue的队首元素。

这里  你们能够参考下用 DelayQueue实现一个过时缓存清除的功能。

 

PriorityBlockingQueue

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 PriorityBlockingQueue是优先级阻塞队列，他和咱们上文讲的PriorityQueue很是类似。可是呢他又多了点阻塞的东西，准确来讲是多了半点。由于在作put操做的时候是不会有阻塞的

就算咱们给他一个初始大小，可是若是容量不够还会去扩容

因此咱们在往里面put的时候要注意，万一辈子产者一直在生产，消费者挂了，那么内存很容易就会被耗尽

 

SynchronousQueue

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 在线程池里面，你们必定见到过这个队列。这是一个不直接存放元素的队列，他存储的其实是他内置的Node。它生产产品（即put的时候），若是当前没有人想要消费产品(即当前没有线程执行take)，今生产线程必须阻塞，等待一个消费线程调用take操做，take操做将会唤醒该生产线程，同时消费线程会获取生产线程的产品。具体的流程我举个例子

步骤一，调用put线程，存储元素

 

步骤二，再次调用put线程，存储元素 ，在调用一个take线程，取出一个元素

这个时候take线程会和put("b")配对，配对成功后put("a")线程就会成为头结点，整个流程以下图所示

SynchronousQueue有两种模式，公平和非公平，默认是非公平的。内部有两种数据结构，分别是是队列和栈来表示公平和非公平两种模式。上图所描述的是非公平模式，即先进后出。具体细节仍是得从代码里看。

首先看下存取元素的api

 

 

两个方法都调用的  transfer 方法，这就是一个配对的方法。这里截取核心部分的transfer方法供你们参考

这里采用了大量的CAS操做进行更新，初看有点乱，可是心中熟记这是个配对方法，再debug几回。代码就会很清晰了。

 

 

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 参考：

https://blog.csdn.net/u013309870/article/details/71189189 【Java堆结构PriorityQueue彻底解析】

http://www.cnblogs.com/leesf456/p/5560362.html 【SynchronousQueue分析】