Java中的阻塞隊(duì)列

1. 什么是阻塞隊(duì)列？

阻塞隊(duì)列（BlockingQueue）是一個(gè)支持兩個(gè)附加操作的隊(duì)列。這兩個(gè)附加的操作是：

在隊(duì)列為空時(shí)，獲取元素的線程會(huì)等待隊(duì)列變?yōu)榉强铡?br /> 當(dāng)隊(duì)列滿時(shí)，存儲(chǔ)元素的線程會(huì)等待隊(duì)列可用。

阻塞隊(duì)列常用于生產(chǎn)者和消費(fèi)者的場(chǎng)景，生產(chǎn)者是往隊(duì)列里添加元素的線程，消費(fèi)者是從隊(duì)列里拿元素的線程。阻塞隊(duì)列就是生產(chǎn)者存放元素的容器，而消費(fèi)者也只從容器里拿元素。

2.Java里的阻塞隊(duì)列

JDK中提供了七個(gè)阻塞隊(duì)列:

1. ArrayBlockingQueue ：一個(gè)由數(shù)組結(jié)構(gòu)組成的有界阻塞隊(duì)列。
2. LinkedBlockingQueue ：一個(gè)由鏈表結(jié)構(gòu)組成的有界阻塞隊(duì)列。
3. PriorityBlockingQueue ：一個(gè)支持優(yōu)先級(jí)排序的無界阻塞隊(duì)列。
4. DelayQueue：一個(gè)使用優(yōu)先級(jí)隊(duì)列實(shí)現(xiàn)的無界阻塞隊(duì)列。
5. SynchronousQueue：一個(gè)不存儲(chǔ)元素的阻塞隊(duì)列。
6. LinkedTransferQueue：一個(gè)由鏈表結(jié)構(gòu)組成的無界阻塞隊(duì)列。
7. LinkedBlockingDeque：一個(gè)由鏈表結(jié)構(gòu)組成的雙向阻塞隊(duì)列。
   

ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue是一個(gè)用數(shù)組實(shí)現(xiàn)的有界阻塞隊(duì)列。此隊(duì)列按照先進(jìn)先出（FIFO）的原則對(duì)元素進(jìn)行排序。默認(rèn)情況下不保證訪問者公平的訪問隊(duì)列，所謂公平訪問隊(duì)列是指阻塞的所有生產(chǎn)者線程或消費(fèi)者線程，當(dāng)隊(duì)列可用時(shí)，可以按照阻塞的先后順序訪問隊(duì)列，即先阻塞的生產(chǎn)者線程，可以先往隊(duì)列里插入元素，先阻塞的消費(fèi)者線程，可以先從隊(duì)列里獲取元素。通常情況下為了保證公平性會(huì)降低吞吐量。我們可以使用以下代碼創(chuàng)建一個(gè)公平的阻塞隊(duì)列：

ArrayBlockingQueue fairQueue = new ArrayBlockingQueue(1000,true);

而對(duì)于其訪問的公平性，是通過ReentrantLock鎖來實(shí)現(xiàn)的。

LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue是一個(gè)用鏈表實(shí)現(xiàn)的有界阻塞隊(duì)列。此隊(duì)列的默認(rèn)和最大長(zhǎng)度為Integer.MAX_VALUE。此隊(duì)列按照先進(jìn)先出的原則對(duì)元素進(jìn)行排序。

PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是一個(gè)支持優(yōu)先級(jí)的無界隊(duì)列。默認(rèn)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(guī)則。元素按照升序排列。

DelayQueue

DelayQueue是一個(gè)支持延時(shí)獲取元素的無界阻塞隊(duì)列。隊(duì)列使用PriorityQueue來實(shí)現(xiàn)。隊(duì)列中的元素必須實(shí)現(xiàn)Delayed接口，在創(chuàng)建元素時(shí)可以指定多久才能從隊(duì)列中獲取當(dāng)前元素。只有在延遲期滿時(shí)才能從隊(duì)列中提取元素。我們可以將DelayQueue運(yùn)用在以下應(yīng)用場(chǎng)景：

緩存系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：可以用DelayQueue保存緩存元素的有效期，使用一個(gè)線程循環(huán)查詢DelayQueue，一旦能從DelayQueue中獲取元素時(shí)，表示緩存有效期到了。

定時(shí)任務(wù)調(diào)度。使用DelayQueue保存當(dāng)天將會(huì)執(zhí)行的任務(wù)和執(zhí)行時(shí)間，一旦從DelayQueue中獲取到任務(wù)就開始執(zhí)行，從比如TimerQueue就是使用DelayQueue實(shí)現(xiàn)的。

如何實(shí)現(xiàn)Delayed接口

我們可以參考ScheduledThreadPoolExecutor里ScheduledFutureTask類。這個(gè)類實(shí)現(xiàn)了Delayed接口。首先：在對(duì)象創(chuàng)建的時(shí)候，使用time記錄前對(duì)象什么時(shí)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();
}

然后使用getDelay可以查詢當(dāng)前元素還需要延時(shí)多久，代碼如下：

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

通過構(gòu)造函數(shù)可以看出延遲時(shí)間參數(shù)ns的單位是納秒，自己設(shè)計(jì)的時(shí)候最好使用納秒，因?yàn)間etDelay時(shí)可以指定任意單位，一旦以納秒作為單位，而延時(shí)的時(shí)間又精確不到納秒就麻煩了。使用時(shí)請(qǐng)注意當(dāng)time小于當(dāng)前時(shí)間時(shí)，getDelay會(huì)返回負(fù)數(shù)。

最后我們可以使用time的來指定其在隊(duì)列中的順序,例如:讓延時(shí)時(shí)間最長(zhǎng)的放在隊(duì)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(shí)現(xiàn)延時(shí)阻塞隊(duì)列

延時(shí)阻塞隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單，當(dāng)消費(fèi)者從隊(duì)列里獲取元素時(shí)，如果元素沒有達(dá)到延時(shí)時(shí)間，就阻塞當(dāng)前線程。

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

SynchronousQueue

SynchronousQueue是一個(gè)不存儲(chǔ)元素的阻塞隊(duì)列。每一個(gè)put操作必須等待一個(gè)take操作，否則不能繼續(xù)添加元素。SynchronousQueue可以看成是一個(gè)傳球手，負(fù)責(zé)把生產(chǎn)者線程處理的數(shù)據(jù)直接傳遞給消費(fèi)者線程。隊(duì)列本身并不存儲(chǔ)任何元素，非常適合于傳遞性場(chǎng)景,比如在一個(gè)線程中使用的數(shù)據(jù)，傳遞給另外一個(gè)線程使用，SynchronousQueue的吞吐量高于

LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue。

它支持公平訪問隊(duì)列。默認(rèn)情況下依然是非公平性的策略機(jī)制

LinkedTransferQueue

LinkedTransferQueue是一個(gè)由鏈表結(jié)構(gòu)組成的無界阻塞TransferQueue隊(duì)列。相對(duì)于其他阻塞隊(duì)列LinkedTransferQueue多了tryTransfer和transfer方法。

transfer方法

如果當(dāng)前有消費(fèi)者正在等待接收元素（消費(fèi)者使用take()方法或帶時(shí)間限制的poll()方法時(shí)），transfer方法可以把生產(chǎn)者傳入的元素立刻transfer（傳輸）給消費(fèi)者。如果沒有消費(fèi)者在等待接收元素，transfer方法會(huì)將元素存放在隊(duì)列的tail節(jié)點(diǎn)，并等到該元素被消費(fèi)者消費(fèi)了才返回。

tryTransfer方法

是用來試探下生產(chǎn)者傳入的元素是否能直接傳給消費(fèi)者。如果沒有消費(fèi)者等待接收元素，則返回false。和transfer方法的區(qū)別是tryTransfer方法無論消費(fèi)者是否接收，方法立即返回。而transfer方法是必須等到消費(fèi)者消費(fèi)了才返回。

對(duì)于帶有時(shí)間限制的tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit)方法，則是試圖把生產(chǎn)者傳入的元素直接傳給消費(fèi)者，但是如果沒有消費(fèi)者消費(fèi)該元素則等待指定的時(shí)間再返回，如果超時(shí)還沒消費(fèi)元素，則返回false，如果在超時(shí)時(shí)間內(nèi)消費(fèi)了元素，則返回true。

LinkedBlockingDeque

LinkedBlockingDeque是一個(gè)由鏈表結(jié)構(gòu)組成的雙向阻塞隊(duì)列。所謂雙向隊(duì)列指的你可以從隊(duì)列的兩端插入和移出元素。雙端隊(duì)列因?yàn)槎嗔艘粋€(gè)操作隊(duì)列的入口，在多線程同時(shí)入隊(duì)時(shí)，也就減少了一半的競(jìng)爭(zhēng)。相比其他的阻塞隊(duì)列，LinkedBlockingDeque多了addFirst，addLast，offerFirst，offerLast，peekFirst，peekLast等方法，以First單詞結(jié)尾的方法，表示插入，獲?。╬eek）或移除雙端隊(duì)列的第一個(gè)元素。以Last單詞結(jié)尾的方法，表示插入，獲取或移除雙端隊(duì)列的最后一個(gè)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(shí)還是用帶有First和Last后綴的方法更清楚。在初始化LinkedBlockingDeque時(shí)可以初始化隊(duì)列的容量，用來防止其再擴(kuò)容時(shí)過渡膨脹。另外雙向阻塞隊(duì)列可以運(yùn)用在“工作竊取”模式中。

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