并发容器之BlockingQueue

1. BlockingQueue简介

在实际编程中，会常用到JDK中Collection集合框架中的各类容器类如实现List,Map,Queue接口的容器类，可是这些容器类基本上不是线程安全的，除了使用Collections能够将其转换为线程安全的容器，Doug Lea大师为咱们都准备了对应的线程安全的容器，如实现List接口的CopyOnWriteArrayList（关于CopyOnWriteArrayList能够看这篇文章），实现Map接口的ConcurrentHashMap（关于ConcurrentHashMap能够看这篇文章），实现Queue接口的ConcurrentLinkedQueue（关于ConcurrentLinkedQueue能够看这篇文章）。

最经常使用的"生产者-消费者"问题中，队列一般被视做线程间操做的数据容器，这样，能够对各个模块的业务功能进行解耦，生产者将“生产”出来的数据放置在数据容器中，而消费者仅仅只须要在“数据容器”中进行获取数据便可，这样生产者线程和消费者线程就可以进行解耦，只专一于本身的业务功能便可。阻塞队列（BlockingQueue）被普遍使用在“生产者-消费者”问题中，其缘由是BlockingQueue提供了可阻塞的插入和移除的方法。当队列容器已满，生产者线程会被阻塞，直到队列未满；当队列容器为空时，消费者线程会被阻塞，直至队列非空时为止。

2. 基本操做

BlockingQueue基本操做总结以下（此图来源于JAVA API文档）：

BlockingQueue继承于Queue接口，所以，对数据元素的基本操做有：

插入元素

1. add(E e) ：往队列插入数据，当队列满时，插入元素时会抛出IllegalStateException异常；
2. offer(E e)：当往队列插入数据时，插入成功返回true，不然则返回false。当队列满时不会抛出异常；

删除元素

1. remove(Object o)：从队列中删除数据，成功则返回true，不然为false
2. poll：删除数据，当队列为空时，返回null；

查看元素

1. element：获取队头元素，若是队列为空时则抛出NoSuchElementException异常；
2. peek：获取队头元素，若是队列为空则抛出NoSuchElementException异常

BlockingQueue具备的特殊操做：

插入数据：

1. put：当阻塞队列容量已经满时，往阻塞队列插入数据的线程会被阻塞，直至阻塞队列已经有空余的容量可供使用；
2. offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)：若阻塞队列已经满时，一样会阻塞插入数据的线程，直至阻塞队列已经有空余的地方，与put方法不一样的是，该方法会有一个超时时间，若超过当前给定的超时时间，插入数据的线程会退出；

删除数据

1. take()：当阻塞队列为空时，获取队头数据的线程会被阻塞；
2. poll(long timeout, TimeUnit unit)：当阻塞队列为空时，获取数据的线程会被阻塞，另外，若是被阻塞的线程超过了给定的时长，该线程会退出

3. 经常使用的BlockingQueue

实现BlockingQueue接口的有ArrayBlockingQueue, DelayQueue, LinkedBlockingDeque, LinkedBlockingQueue, LinkedTransferQueue, PriorityBlockingQueue, SynchronousQueue，而这几种常见的阻塞队列也是在实际编程中会经常使用的，下面对这几种常见的阻塞队列进行说明：

1.ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue是由数组实现的有界阻塞队列。该队列命令元素FIFO（先进先出）。所以，对头元素时队列中存在时间最长的数据元素，而对尾数据则是当前队列最新的数据元素。ArrayBlockingQueue可做为“有界数据缓冲区”，生产者插入数据到队列容器中，并由消费者提取。ArrayBlockingQueue一旦建立，容量不能改变。

当队列容量满时，尝试将元素放入队列将致使操做阻塞;尝试从一个空队列中取一个元素也会一样阻塞。

ArrayBlockingQueue默认状况下不能保证线程访问队列的公平性，所谓公平性是指严格按照线程等待的绝对时间顺序，即最早等待的线程可以最早访问到ArrayBlockingQueue。而非公平性则是指访问ArrayBlockingQueue的顺序不是遵照严格的时间顺序，有可能存在，一旦ArrayBlockingQueue能够被访问时，长时间阻塞的线程依然没法访问到ArrayBlockingQueue。若是保证公平性，一般会下降吞吐量。若是须要得到公平性的ArrayBlockingQueue，可采用以下代码：

private static ArrayBlockingQueue<Integer> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<Integer>(10,true);
复制代码

关于ArrayBlockingQueue的实现原理，能够看这篇文章。

2.LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue是用链表实现的有界阻塞队列，一样知足FIFO的特性，与ArrayBlockingQueue相比起来具备更高的吞吐量，为了防止LinkedBlockingQueue容量迅速增，损耗大量内存。一般在建立LinkedBlockingQueue对象时，会指定其大小，若是未指定，容量等于Integer.MAX_VALUE

3.PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是一个支持优先级的无界阻塞队列。默认状况下元素采用天然顺序进行排序，也能够经过自定义类实现compareTo()方法来指定元素排序规则，或者初始化时经过构造器参数Comparator来指定排序规则。

4.SynchronousQueue

SynchronousQueue每一个插入操做必须等待另外一个线程进行相应的删除操做，所以，SynchronousQueue实际上没有存储任何数据元素，由于只有线程在删除数据时，其余线程才能插入数据，一样的，若是当前有线程在插入数据时，线程才能删除数据。SynchronousQueue也能够经过构造器参数来为其指定公平性。

5.LinkedTransferQueue

LinkedTransferQueue是一个由链表数据结构构成的无界阻塞队列，因为该队列实现了TransferQueue接口，与其余阻塞队列相比主要有如下不一样的方法：

transfer(E e) 若是当前有线程（消费者）正在调用take()方法或者可延时的poll()方法进行消费数据时，生产者线程能够调用transfer方法将数据传递给消费者线程。若是当前没有消费者线程的话，生产者线程就会将数据插入到队尾，直到有消费者可以进行消费才能退出；

tryTransfer(E e) tryTransfer方法若是当前有消费者线程（调用take方法或者具备超时特性的poll方法）正在消费数据的话，该方法能够将数据当即传送给消费者线程，若是当前没有消费者线程消费数据的话，就当即返回false。所以，与transfer方法相比，transfer方法是必须等到有消费者线程消费数据时，生产者线程才可以返回。而tryTransfer方法可以当即返回结果退出。

tryTransfer(E e,long timeout,imeUnit unit)
与transfer基本功能同样，只是增长了超时特性，若是数据才规定的超时时间内没有消费者进行消费的话，就返回false。

6.LinkedBlockingDeque

LinkedBlockingDeque是基于链表数据结构的有界阻塞双端队列，若是在建立对象时为指定大小时，其默认大小为Integer.MAX_VALUE。与LinkedBlockingQueue相比，主要的不一样点在于，LinkedBlockingDeque具备双端队列的特性。LinkedBlockingDeque基本操做以下图所示（来源于java文档）

如上图所示，LinkedBlockingDeque的基本操做能够分为四种类型：1.特殊状况，抛出异常；2.特殊状况，返回特殊值如null或者false；3.当线程不知足操做条件时，线程会被阻塞直至条件知足；4. 操做具备超时特性。

另外，LinkedBlockingDeque实现了BlockingDueue接口而LinkedBlockingQueue实现的是BlockingQueue，这两个接口的主要区别以下图所示（来源于java文档）：

从上图能够看出，两个接口的功能是能够等价使用的，好比BlockingQueue的add方法和BlockingDeque的addLast方法的功能是同样的。

7.DelayQueue

DelayQueue是一个存放实现Delayed接口的数据的无界阻塞队列，只有当数据对象的延时时间达到时才能插入到队列进行存储。若是当前全部的数据都尚未达到建立时所指定的延时期，则队列没有队头，而且线程经过poll等方法获取数据元素则返回null。所谓数据延时期满时，则是经过Delayed接口的getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS)来进行断定，若是该方法返回的是小于等于0则说明该数据元素的延时期已满。