Java中的阻塞隊列

1. 什麼是阻塞隊列？

阻塞隊列（BlockingQueue）是一個支持兩個附加操作的隊列。這兩個附加的操作是：

• 在隊列為空時，獲取元素的線程會等待隊列變為非空。
• 當隊列滿時，存儲元素的線程會等待隊列可用。
  阻塞隊列常用於生產者和消費者的場景，生產者是往隊列裡添加元素的線程，消費者是從隊列裡拿元素的線程。阻塞隊列就是生產者存放元素的容器，而消費者也只從容器裡拿元素。

2.Java裡的阻塞隊列

JDK中提供了七個阻塞隊列:

• 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。

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。默認情況下不保證訪問者公平的訪問隊列，所謂公平訪問隊列是指阻塞的所有生產者線程或消費者線程，當隊列可用時，可以按照阻塞的先後順序訪問隊列，即先阻塞的生產者線程，可以先往隊列裡插入元素，先阻塞的消費者線程，可以先從隊列裡獲取元素。通常情況下為了保證公平性會降低吞吐量。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);

而對於其訪問的公平性，是通過ReentrantLock鎖來實現的。

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。

PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是一個支持優先級的無界隊列。默認情況下元素采取自然順序排列，也可以通過比較器comparator來指定元素的排序規則。元素按照升序排列。

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。我們可以將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，從比如TimerQueue就是使用DelayQueue實現的。

如何實現Delayed接口

我們可以參考ScheduledThreadPoolExecutor裡ScheduledFutureTask類。這個類實現了Delayed接口。首先：在對象創建的時候，使用time記錄前對象什麼時候可以使用，代碼如下：

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

然後使用getDelay可以查詢當前元素還需要延時多久，代碼如下：

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

通過構造函數可以看出延遲時間參數ns的單位是納秒，自己設計的時候最好使用納秒，因為getDelay時可以指定任意單位，一旦以納秒作為單位，而延時的時間又精確不到納秒就麻煩了。使用時請注意當time小於當前時間時，getDelay會返回負數。

最後我們可以使用time的來指定其在隊列中的順序,例如:讓延時時間最長的放在隊列的末尾。

public int compareTo(Delayed other) {
           if (other == this) 
                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);
        }

如何實現延時阻塞隊列

延時阻塞隊列的實現很簡單，當消費者從隊列裡獲取元素時，如果元素沒有達到延時時間，就阻塞當前線程。

long delay = first.getDelay(TimeUtil.NANOSECONDS);
if(delay<=0){
  return q.poll ;//阻塞隊列
}else if(leader!=null){
   //leader表示一個等待從阻塞隊列中取消息的線程
   available.await(); //讓線程進入等待信號
}else {
//當leader為null，則將當前線程設置為leader
Thread thisThread = Thread.currentThread();
try{
leader = thisThread;
//使用awaitNanos()方法讓當前線程等待接收信號或等待delay時間
available.awaitNanos(delay);
}finally{
  if(leader==thisThread){
      leader=null;
     }
  }
}

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。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。隊列本身並不存儲任何元素，非常適合於傳遞性場景,比如在一個線程中使用的數據，傳遞給另外一個線程使用，SynchronousQueue的吞吐量高於LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue。

它支持公平訪問隊列。默認情況下依然是非公平性的策略機制

LinkedTransferQueue

LinkedTransferQueue是一個由鏈表結構組成的無界阻塞TransferQueue隊列。相對於其他阻塞隊列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take()方法或帶時間限制的poll()方法時），transfer方法可以把生產者傳入的元素立刻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，並等到該元素被消費者消費了才返回。

tryTransfer方法

是用來試探下生產者傳入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。

對於帶有時間限制的tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit)方法，則是試圖把生產者傳入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。

LinkedBlockingDeque

LinkedBlockingDeque是一個由鏈表結構組成的雙向阻塞隊列。所謂雙向隊列指的你可以從隊列的兩端插入和移出元素。雙端隊列因為多了一個操作隊列的入口，在多線程同時入隊時，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，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後一個元素。另外插入方法add等同於addLast，移除方法remove等效於removeFirst。但是take方法卻等同於takeFirst，不知道是不是Jdk的bug，使用時還是用帶有First和Last後綴的方法更清楚。在初始化LinkedBlockingDeque時可以初始化隊列的容量，用來防止其再擴容時過渡膨脹。另外雙向阻塞隊列可以運用在“工作竊取”模式中。

參考:《Java並發編程的藝術》 方騰飛 

Java 並發編程的藝術PDF清晰完整版+源碼 下載 http://www.linuxidc.com/Linux/2016-07/133404.htm