本文系《Java并發編程藝術》的讀書筆記
什么是阻塞隊列
阻塞隊列（BlockingQueue）是一個支持兩個附加操作的隊列。這兩個附加的操作支持阻塞的插入和移除方法。
- 支持阻塞的插入方法：當隊列滿時，隊列會阻塞插入元素的線程，直到隊列不滿。
- 支持阻塞的移除方法：當隊列為空時，獲取元素的線程會等待隊列變為非空。
阻塞隊列常用于生產者和消費者的場景，生產者是向隊列里添加元素的線程，消費者是從隊列里取元素的線程。阻塞隊列就是生產者用來存放元素、消費者用來獲取元素的容器。
在阻塞隊列不可用時，這兩個附加操作提供了4種處理方式，如下所示：
拋出異常：當隊列滿時，如果再往隊列里插入元素，會拋出IllegalArgumentException異常。當隊列空時，從隊列里獲取元素會拋出NoSuchElementException異常。
返回特殊值：當往隊列插入元素時，會返回元素是否插入成功，成功返回true。如果是移除方法，則是從隊列里取出一個元素，如果沒有則返回
null。一直阻塞：當阻塞隊列滿時，如果生產者線程往隊列里
put元素，隊列會一直阻塞生產者線程，直到隊列可用或者響應中斷退出。當隊列空時，如果消費者從隊列里take元素，隊列會阻塞住消費者線程，直到隊列不為空。
tips:如果是無界阻塞隊列，隊列不可能會出現滿的情況，所以使用put或offer方法永遠不會被阻塞，而且使用offer方法時，該方法永遠返回true。
JDK提供的阻塞隊列
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的原則對元素進行排序。構造方法如下：
public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
this(capacity, false);
}
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();
}
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair,
Collection<? extends E> c) {
this(capacity, fair);
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock(); // Lock only for visibility, not mutual exclusion
try {
int i = 0;
try {
for (E e : c) {
checkNotNull(e);
items[i++] = e;
}
} catch (ArrayIndexOutOfBoundsException ex) {
throw new IllegalArgumentException();
}
count = i;
putIndex = (i == capacity) ? 0 : i;
} finally {
lock.unlock();
}
}
參數fair用于設置線程是否公平訪問隊列。所謂公平訪問是指阻塞的線程，可以按照阻塞的先后順序訪問隊列，即先阻塞線程先訪問隊列。非公平性是對先等待的線程是非公平的，當隊列可用時，阻塞的線程都可以爭奪訪問隊列的資格，有可能先阻塞的線程最后才訪問隊列。為了保證公平性，通常會降低吞吐量。
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阻塞隊列。默認情況下元素采取自然順序升序排列。也可以自定義類實現compareTo()方法來指定元素排序規則，或者初始化PriorityBlockingQueue時，指定構造參數Comparator來進行排序。需要注意的是不能保證同優先級元素的順序。
DelayQueue
DelayQueue是一個支持延時獲取元素的無界阻塞隊列。隊列使用PriorityBlockingQueue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。
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。
- 任務超時處理：比如下單后15分鐘內未付款，自動關閉訂單。
如何實現Delayed接口
DelayQueue隊列的元素必須實現Delayed接口。可以參考ScheduledThreadPoolExecutor里ScheduledFutureTask類的實現，步驟如下：
-
在對象創建的對象，初始化基本數據。使用time記錄當前對象延遲到什么時候可以使用，使用sequenceNumber來標識元素在隊列中的先后順序。代碼如下：
1.png -
實現getDelay方法，該方法返回當前元素還需要延長多長時間，單位是納秒。代碼如下：
2.png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，實現getDelay()方法時可以指定任意單位，一旦以秒或分作為單位，而延時時間精確不到納秒就麻煩了。使用時注意當time小于當前時間時，getDelay會返回負數。
-
實現compareTo方法來指定元素的順序。例如，讓延時時間最長的放在隊列的末尾。代碼如下
3.png
如何實現延時阻塞隊列
延時阻塞隊列的實現很簡單，當消費者從隊列里獲取元素時，如果元素沒有達到延時時間，就阻塞當前線程。
private Thread leader = null;
private final Condition available = lock.newCondition();
public E take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
for (;;) {
E first = q.peek();
if (first == null)
available.await();
else {
long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
if (delay <= 0)
return q.poll();
first = null; // don't retain ref while waiting
if (leader != null)
available.await();
else {
Thread thisThread = Thread.currentThread();
leader = thisThread;
try {
available.awaitNanos(delay);
} finally {
if (leader == thisThread)
leader = null;
}
}
}
}
} finally {
if (leader == null && q.peek() != null)
available.signal();
lock.unlock();
}
}
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。構造函數如下：
public SynchronousQueue() {
this(false);
}
public SynchronousQueue(boolean fair) {
transferer = fair ? new TransferQueue<E>() : new TransferStack<E>();
}
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。隊列本身不存儲任何元素，非常適合傳遞性場景。SynchronousQueue的吞吐量高于LinkedBlockingQueue和ArrayBlockingQueue。
LinkedTransferQueue
LinkedTransferQueue是一個由鏈表結構組成的無界阻塞TransferQueue隊列。相對于其他阻塞隊列，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，并等到該元素被消費者了才返回。
-
tryTransfer方法tryTransfer方法時用來試探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fasle。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。
LinkedBlockingDeque
LinkedBlockingDeque是一個由鏈表結構組成的雙向阻塞隊列。所謂雙向隊列指的是可以從隊列的兩端插入和移出元素。雙向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和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、獲取或移除雙向隊列的最后一個元素。
阻塞隊列原理
如果隊列是空的，消費者會一直等待，當生產者添加元素時，消費者是如何知道當前隊列有元素的呢？JDK使用通知模式實現的。所謂通知模式，就是當生產者往滿的隊列里添加元素時會阻塞主生產者，當消息者消費了一個隊列中的元素后，會通知生產者當前隊列可用。
ArrayBlockingQueue使用Condition來實現，代碼如下：
private final Condition notEmpty;
private final Condition notFull;
public E take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == 0) // 隊列為空時，阻塞當前消費者
notEmpty.await();
return dequeue();
} finally {
lock.unlock();
}
}
public void put(E e) throws InterruptedException {
checkNotNull(e);
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == items.length)
notFull.await();
enqueue(e);
} finally {
lock.unlock();
}
}
private void enqueue(E x) {
final Object[] items = this.items;
items[putIndex] = x;
if (++putIndex == items.length)
putIndex = 0;
count++;
notEmpty.signal(); // 隊列不為空時，通知消息者獲取元素
}
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