JAVA中怎么利用阻塞队列实现一个并发容器
今天就跟大家聊聊有关JAVA中怎么利用阻塞队列实现一个并发容器，可能很多人都不太了解，为了让大家更加了解，小编给大家总结了以下内容，希望大家根据这篇文章可以有所收获。
在并发编程中，有时候需要使用线程安全的队列。如果要实现一个线程安全的队列有两 种方式：一种是使用阻塞算法，另一种是使用非阻塞算法。使用阻塞算法的队列可以用一个锁 （入队和出队用同一把锁）或两个锁（入队和出队用不同的锁）等方式来实现。非阻塞的实现方式则可以使用循环CAS的方式来实现。
阻塞队列
阻塞队列（BlockingQueue）是一个支持两个附加操作的队列。这两个附加的操作支持阻塞的插入和移除方法。
支持阻塞的插入方法：意思是当队列满时，队列会阻塞插入元素的线程，直到队列不满。
支持阻塞的移除方法：意思是在队列为空时，获取元素的线程会等待队列变为非空。
应用场景
阻塞队列常用于生产者和消费者的场景，生产者是向队列里添加元素的线程，消费者是 从队列里取元素的线程。阻塞队列就是生产者用来存放元素、消费者用来获取元素的容器。
插入和移除操作的4中处理方式
抛出异常：当队列满时，如果再往队列里插入元素，会抛出IllegalStateException（"Queue full"）异常。当队列空时，从队列里获取元素会抛出NoSuchElementException异常。
返回特殊值：当往队列插入元素时，会返回元素是否插入成功，成功返回true。如果是移除方法，则是从队列里取出一个元素，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，直到队列可用或者响应中断退出。当队列空时，如果消费者线程从队列里take元素，队列会阻塞消费者线程，直到队列不为空。
超时退出：当阻塞队列满时，如果生产者线程往队列里插入元素，队列会阻塞生产者线程 一段时间，如果超过了指定的时间，生产者线程就会退出。
注意： 如果是无界阻塞队列，队列不可能会出现满的情况，所以使用put或offer方法永 远不会被阻塞，而且使用offer方法时，该方法永远返回true。
Java里的阻塞队列
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。
ArrayBlockingQueue
ArrayBlockingQueue是一个用数组实现的有界阻塞队列，在初始化时需要指定队列的长度。此队列按照先进先出（FIFO）的原则对元素进行排序。默认情况下不保证线程公平的访问队列，但是在初始化的队列的时候指定阻塞队列的公平性，如:ArrayBlockingQueue fairQueue = new ArrayBlockingQueue(1000,true);。它使用ReentrantLock来实现队列的线程安全。
核心属性
/** The queued items */ final Object[] items; /** items index for next take, poll, peek or remove */ int takeIndex; /** items index for next put, offer, or add */ int putIndex; /** Number of elements in the queue */ int count; /** Main lock guarding all access */ final ReentrantLock lock; /** Condition for waiting takes */ private final Condition notEmpty; /** Condition for waiting puts */ private final Condition notFull;
核心方法
public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { checkNotNull(e); long nanos = unit.toNanos(timeout); final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lockInterruptibly(); try { while (count == items.length) { if (nanos <= 0) return false; nanos = notFull.awaitNanos(nanos); } enqueue(e); return true; } finally { lock.unlock(); } } private void enqueue(E x) { // assert lock.getHoldCount() == 1; // assert items[putIndex] == null; final Object[] items = this.items; items[putIndex] = x; if (++putIndex == items.length) putIndex = 0; count++; notEmpty.signal(); } public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { long nanos = unit.toNanos(timeout); final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lockInterruptibly(); try { while (count == 0) { if (nanos <= 0) return null; nanos = notEmpty.awaitNanos(nanos); } return dequeue(); } finally { lock.unlock(); } } private E dequeue() { // assert lock.getHoldCount() == 1; // assert items[takeIndex] != null; final Object[] items = this.items; @SuppressWarnings("unchecked") E x = (E) items[takeIndex]; items[takeIndex] = null; if (++takeIndex == items.length) takeIndex = 0; count--; if (itrs != null) itrs.elementDequeued(); notFull.signal(); return x; }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。出队和入队使用两把锁来实现。
核心属性
/** The capacity bound, or Integer.MAX_VALUE if none */ private final int capacity; /** Current number of elements */ private final AtomicInteger count = new AtomicInteger(); /** * Head of linked list. * Invariant: head.item == null */ transient Nodehead; /** * Tail of linked list. * Invariant: last.next == null */ private transient Node last; /** Lock held by take, poll, etc */ private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock(); /** Wait queue for waiting takes */ private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition(); /** Lock held by put, offer, etc */ private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock(); /** Wait queue for waiting puts */ private final Condition notFull = putLock.newCondition();
PriorityBlockingQueue
PriorityBlockingQueue是一个支持优先级的无界阻塞队列。默认情况下元素采取自然顺序升序排列。也可以自定义类实现compareTo()方法来指定元素排序规则，或者初始化 PriorityBlockingQueue时，指定构造参数Comparator来对元素进行排序。需要注意的是不能保证 同优先级元素的顺序。底层使用数组实现，默认初始容量是11，最大值是Integer.MAX_VALUE - 8。容量不够时会进行扩容
核心方法
// 入队 private staticvoid siftUpComparable(int k, T x, Object[] array) { Comparable key = (Comparable) x; while (k > 0) { int parent = (k - 1) >>> 1; Object e = array[parent]; if (key.compareTo((T) e) >= 0) break; array[k] = e; k = parent; } array[k] = key; } // 扩容 private void tryGrow(Object[] array, int oldCap) { lock.unlock(); // must release and then re-acquire main lock Object[] newArray = null; if (allocationSpinLock == 0 && UNSAFE.compareAndSwapInt(this, allocationSpinLockOffset, 0, 1)) { try { int newCap = oldCap + ((oldCap < 64) ? (oldCap + 2) : // grow faster if small (oldCap >> 1)); if (newCap - MAX_ARRAY_SIZE > 0) { // possible overflow int minCap = oldCap + 1; if (minCap < 0 || minCap > MAX_ARRAY_SIZE) throw new OutOfMemoryError(); newCap = MAX_ARRAY_SIZE; } if (newCap > oldCap && queue == array) newArray = new Object[newCap]; } finally { allocationSpinLock = 0; } } if (newArray == null) // back off if another thread is allocating Thread.yield(); lock.lock(); if (newArray != null && queue == array) { queue = newArray; System.arraycopy(array, 0, newArray, 0, oldCap); } }
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接口和Comparable
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，比如TimerQueue就是使用DelayQueue实现的。
如何实现Delayed接口
DelayQueue队列的元素必须实现Delayed接口。我们可以参考ScheduledThreadPoolExecutor 里ScheduledFutureTask类的实现，一共有三步。 第一步：在对象创建的时候，初始化基本数据。使用time记录当前对象延迟到什么时候可 以使用，使用sequenceNumber来标识元素在队列中的先后顺序。代码如下：
private static final AtomicLong sequencer = new AtomicLong(0);ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns, long period) { ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns, long period){ super(r, result); this.time = ns; this.period = period; this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement(); }}第二步：实现getDelay方法，该方法返回当前元素还需要延时多长时间，单位是纳秒，代码 如下:
public long getDelay(TimeUnit unit) { return unit.convert(time - now(), NANOSECONDS);}注意当time小于当前时间时，getDelay会返回负数，这时才可以出队。
第三步：实现compareTo方法来指定元素的顺序。例如，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 if same object return 0; if (other instanceof ScheduledThreadPoolExecutor.ScheduledFutureTask) { ScheduledThreadPoolExecutor.ScheduledFutureTask x = (ScheduledThreadPoolExecutor.ScheduledFutureTask)other; // 过期时间小的排前面，大的排后面，如果一样就使用sequenceNumber 来排序。 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; } // 快要过期的排在前面 long diff = getDelay(NANOSECONDS) - other.getDelay(NANOSECONDS); return (diff < 0) ? -1 : (diff > 0) ? 1 : 0;}如何实现延时阻塞队列
延时阻塞队列的实现很简单，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。
public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { long nanos = unit.toNanos(timeout); final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lockInterruptibly(); try { for (;;) { E first = q.peek(); if (first == null) { if (nanos <= 0) return null; else // 队列为NULL，阻塞线程直到超时 nanos = available.awaitNanos(nanos); } else { long delay = first.getDelay(NANOSECONDS); if (delay <= 0) return q.poll(); if (nanos <= 0) return null; first = null; // don't retain ref while waiting // 等待时间小于第一个元素的过期时间 if (nanos < delay || leader != null) // 阻塞线程直到超时 nanos = available.awaitNanos(nanos); else { Thread thisThread = Thread.currentThread(); leader = thisThread; try { // 等待时间大于第一个元素的过期时间，阻塞线程直到第一个元素过期 long timeLeft = available.awaitNanos(delay); nanos -= delay - timeLeft; } finally { if (leader == thisThread) leader = null; } } } } } finally { if (leader == null && q.peek() != null) // 唤醒其他阻塞线程 available.signal(); lock.unlock(); }}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。 它支持公平访问队列。默认情况下线程采用非公平性策略访问队列。
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，非常适合传递性场景。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。
LinkedBlockingDeque
LinkedBlockingDeque是一个由链表结构组成的双向阻塞队列。所谓双向队列指的是可以 从队列的两端插入和移出元素。双向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和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时可以设置容量防止其过度膨胀。另外，双向阻塞队列可以运用在"工作窃取"模式中。
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