JCIP-09-java 中 7 种阻塞队列 BlockingQueue 概览篇

一些值得思考的问题

• 为什么要有阻塞队列？

• 什么是阻塞队列

• 优缺点

• 适用场景

• 实现思想+源码

• 个人启发

阻塞队列

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。这两个附加的操作是：在队列为空时，获取元素的线程会等待队列变为非空。当队列满时，存储元素的线程会等待队列可用。阻塞队列常用于生产者和消费者的场景，生产者是往队列里添加元素的线程，消费者是从队列里拿元素的线程。阻塞队列就是生产者存放元素的容器，而消费者也只从容器里拿元素。

阻塞队列提供了四种处理方法:

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：是指当阻塞队列满时候，再往队列里插入元素，会抛出IllegalStateException(“Queue full”)异常。当队列为空时，从队列里获取元素时会抛出NoSuchElementException异常 。

返回特殊值：插入方法会返回是否成功，成功则返回true。移除方法，则是从队列里拿出一个元素，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，直到拿到数据，或者响应中断退出。当队列空时，消费者线程试图从队列里take元素，队列也会阻塞消费者线程，直到队列可用。

超时退出：当阻塞队列满时，队列会阻塞生产者线程一段时间，如果超过一定的时间，生产者线程就会退出。

入门例子

演示如何简单实用 BlockingQueue。

测试类

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue; 

public class BlockingQueueTest {
 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 声明一个容量为10的缓存队列
        BlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<String>(10);
 
        //new了三个生产者和一个消费者
        Producer producer1 = new Producer(queue);
        Producer producer2 = new Producer(queue);
        Producer producer3 = new Producer(queue);
        Consumer consumer = new Consumer(queue);
 
        // 借助Executors
        ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
        // 启动线程
        service.execute(producer1);
        service.execute(producer2);
        service.execute(producer3);
        service.execute(consumer);
 
        // 执行10s
        Thread.sleep(10 * 1000);
        producer1.stop();
        producer2.stop();
        producer3.stop();
 
        Thread.sleep(2000);
        // 退出Executor
        service.shutdown();
    }
}

生产者线程

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
 
/**
 * 生产者线程
 * 
 * @author jackyuj
 */
public class Producer implements Runnable {
    
    private volatile boolean  isRunning = true;//是否在运行标志
    private BlockingQueue queue;//阻塞队列
    private static AtomicInteger count = new AtomicInteger();//自动更新的值
    private static final int DEFAULT_RANGE_FOR_SLEEP = 1000;
 
    //构造函数
    public Producer(BlockingQueue queue) {
        this.queue = queue;
    }
 
    public void run() {
        String data = null;
        Random r = new Random();
 
        System.out.println("启动生产者线程！");
        try {
            while (isRunning) {
                System.out.println("正在生产数据...");
                Thread.sleep(r.nextInt(DEFAULT_RANGE_FOR_SLEEP));//取0~DEFAULT_RANGE_FOR_SLEEP值的一个随机数
 
                data = "data:" + count.incrementAndGet();//以原子方式将count当前值加1
                System.out.println("将数据：" + data + "放入队列...");
                if (!queue.offer(data, 2, TimeUnit.SECONDS)) {//设定的等待时间为2s，如果超过2s还没加进去返回true
                    System.out.println("放入数据失败：" + data);
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
            Thread.currentThread().interrupt();
        } finally {
            System.out.println("退出生产者线程！");
        }
    }
 
    public void stop() {
        isRunning = false;
    }
}

消费者代码

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
 
/**
 * 消费者线程
 * 
 * @author jackyuj
 */
public class Consumer implements Runnable {
    
    private BlockingQueue<String> queue;
    private static final int DEFAULT_RANGE_FOR_SLEEP = 1000;
 
    //构造函数
    public Consumer(BlockingQueue<String> queue) {
        this.queue = queue;
    }
 
    public void run() {
        System.out.println("启动消费者线程！");
        Random r = new Random();
        boolean isRunning = true;
        try {
            while (isRunning) {
                System.out.println("正从队列获取数据...");
                String data = queue.poll(2, TimeUnit.SECONDS);//有数据时直接从队列的队首取走，无数据时阻塞，在2s内有数据，取走，超过2s还没数据，返回失败
                if (null != data) {
                    System.out.println("拿到数据：" + data);
                    System.out.println("正在消费数据：" + data);
                    Thread.sleep(r.nextInt(DEFAULT_RANGE_FOR_SLEEP));
                } else {
                    // 超过2s还没数据，认为所有生产线程都已经退出，自动退出消费线程。
                    isRunning = false;
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
            Thread.currentThread().interrupt();
        } finally {
            System.out.println("退出消费者线程！");
        }
    }
}

Java里的阻塞队列

JDK7提供了7个阻塞队列。

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。

让我们后续一起集齐 7 颗龙珠，召唤神龙吧~

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。默认情况下不保证访问者公平的访问队列，所谓公平访问队列是指阻塞的所有生产者线程或消费者线程，当队列可用时，可以按照阻塞的先后顺序访问队列，即先阻塞的生产者线程，可以先往队列里插入元素，先阻塞的消费者线程，可以先从队列里获取元素。

通常情况下为了保证公平性会降低吞吐量。我们可以使用以下代码创建一个公平的阻塞队列：

ArrayBlockingQueue fairQueue = new  ArrayBlockingQueue(1000,true);

访问者的公平性是使用可重入锁实现的，代码如下

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();
}

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队列。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。我们可以将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，从比如TimerQueue就是使用DelayQueue实现的。 队列中的Delayed必须实现compareTo来指定元素的顺序。比如让延时时间最长的放在队列的末尾。实现代码如下：

public int compareTo(Delayed other) {
    if (other == this) // compare zero ONLY if same object
        return 0;
    if (other instanceof ScheduledFutureTask) {
        ScheduledFutureTask x = (ScheduledFutureTask)other;
        long diff = time - x.time;
        if (diff < 0)
            return -1;
        else if (diff > 0)
            return 1;
    else if (sequenceNumber < x.sequenceNumber)
            return -1;
        else
            return 1;
    }
    long d = (getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) -
                other.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS));
    return (d == 0) ? 0 : ((d < 0) ? -1 : 1);
}

如何实现Delayed接口

我们可以参考 ScheduledThreadPoolExecutor 里 ScheduledFutureTask 类。

这个类实现了Delayed接口。

首先：在对象创建的时候，使用time记录前对象什么时候可以使用，代码如下：

ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns, long period) {
    super(r, result);
    this.time = ns;
    this.period = period;
    this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement();
}

然后使用getDelay可以查询当前元素还需要延时多久，代码如下：

public long getDelay(TimeUnit unit) {
    return unit.convert(time - now(), TimeUnit.NANOSECONDS);
}

通过构造函数可以看出延迟时间参数ns的单位是纳秒，自己设计的时候最好使用纳秒，因为getDelay时可以指定任意单位，一旦以纳秒作为单位，而延时的时间又精确不到纳秒就麻烦了。

使用时请注意当time小于当前时间时，getDelay会返回负数。

如何实现延时队列

延时队列的实现很简单，当消费者从队列里获取元素时，如果元素没有达到延时时间，就阻塞当前线程。

long delay = first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS);
    if (delay <= 0)
        return q.poll();
    else if (leader != null)
        available.await();

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。SynchronousQueue可以看成是一个传球手，负责把生产者线程处理的数据直接传递给消费者线程。队列本身并不存储任何元素，非常适合于传递性场景,比如在一个线程中使用的数据，传递给另外一个线程使。

SynchronousQueue 的吞吐量高于 LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue。

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：

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

第一行代码是试图把存放当前元素的s节点作为tail节点。

第二行代码是让CPU自旋等待消费者消费元素。因为自旋会消耗CPU，所以自旋一定的次数后使用Thread.yield()方法来暂停当前正在执行的线程，并执行其他线程。

tryTransfer方法。

则是用来试探下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，则是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。所谓双向队列指的你可以从队列的两端插入和移出元素。双端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，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时可以初始化队列的容量，用来防止其再扩容时过渡膨胀。

另外双向阻塞队列可以运用在“工作窃取”模式中。

阻塞队列的实现原理

如果队列是空的，消费者会一直等待，当生产者添加元素时候，消费者是如何知道当前队列有元素的呢？

如果让你来设计阻塞队列你会如何设计，让生产者和消费者能够高效率的进行通讯呢？让我们先来看看JDK是如何实现的。

使用通知模式实现。

所谓通知模式，就是当生产者往满的队列里添加元素时会阻塞住生产者，当消费者消费了一个队列中的元素后，会通知生产者当前队列可用。

小结

作为 java 开发者，每个人都喜欢吹高并发。

可是高并发就像鬼一样，吹得人多，见得人少。

90% 的 java coder 估计连这 7 种阻塞队列都不清楚，包括老马本人。

于是我痛定思痛，花了几周的时间，将上面 7 个队列的用法和源码学了一遍，将在阻塞队列系列分享给大家。

让高并发见鬼去吧~

希望本文对你有帮助，如果有其他想法的话，也可以评论区和大家分享哦。

各位极客的点赞收藏转发，是老马持续写作的最大动力！

参考资料

《java 并发编程的艺术》

http://ifeve.com/java-blocking-queue/

https://www.cnblogs.com/tjudzj/p/4454490.html

• 一些值得思考的问题
• 阻塞队列
• 入门例子
  • 测试类
  • 生产者线程
  • 消费者代码
• Java里的阻塞队列
  • ArrayBlockingQueue
  • LinkedBlockingQueue
  • PriorityBlockingQueue
  • DelayQueue
    • 如何实现Delayed接口
    • 如何实现延时队列
  • SynchronousQueue
  • LinkedTransferQueue
    • transfer方法。
    • tryTransfer方法。
  • LinkedBlockingDeque
• 阻塞队列的实现原理
• 小结
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