阻塞隊列分析

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前言

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 在分析多線程的文章中，咱們知道了Executors是經過阻塞隊列接受任務。例如 FixedThreadPool 使用的是 LinkedBlockingQueue, CachedThreadPool 使用的是 SynchronousQueue。阻塞隊列的基類是 BlockingQueue，他的實現類以下所示

 

BlockingQueue的api咱們須要重點關注下，理解了這些api的做用，對於實現類的分析會輕鬆不少。

類型	api名稱	是否阻塞	簡述
放入數據	offer(anObject)	否	將anObject加到BlockingQueue裏,即若是BlockingQueue能夠容納,則返回true,不然返回false
	offer(E o, long timeout, TimeUnit unit)	否	能夠設定等待的時間，若是在指定的時間內，還不能往隊列中加入BlockingQueue，則返回失敗
	put(anObject)	是	把anObject加到BlockingQueue裏,若是BlockQueue沒有空間,則調用此方法的線程被阻斷直到BlockingQueue裏面有空間再繼續
獲取數據	poll(time)	否	取走BlockingQueue裏排在首位的對象,若不能當即取出,則能夠等time參數規定的時間,取不到時返回null
	poll(long timeout, TimeUnit unit)	否	同上
	take()	是	取走BlockingQueue裏排在首位的對象,若BlockingQueue爲空,阻斷進入等待狀態直到BlockingQueue有新的數據被加入
	drainTo()	否	一次性從BlockingQueue獲取全部可用的數據對象（還能夠指定獲取數據的個數），經過該方法，能夠提高獲取數據效率；不須要屢次分批加鎖或釋放鎖

 

 

 

 

 

 

 

 

重點關注表中的阻塞類型的方法，他們是阻塞隊列的核心。接下來說述幾個經常使用的阻塞隊列的存取數據api。

ArrayBolckingQueue

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在ArrayBlockingQueue內部，維護了一個定長數組，以便緩存隊列中的數據對象。咱們先看offer方法

咱們再看下 enqueue

 

以上是非阻塞的存放。咱們再看阻塞版本的存放

能夠看到，兩種方式的差異其實很小，一個是阻塞一段時間後直接返回false，一個是無限期的阻塞。咱們再看下取數據的api。

再看下dequeue

 以上就是ArrayBlockingQunue的具體分析。

 

LinkedBlockingQueue

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 LinkedBlockingQueue是基於鏈表的阻塞隊列，首先須要注意的是LinkedBlockingQueue是能夠無界的,當你不指定容量時他默認的大小是 Integer.MAX_VALUE

鏈表經過內部的Node來實現，能夠看出這是個單項鍊表。

接下來，咱們再看下具體的api 

咱們看下 enqueue，就是一個簡單的鏈表操做。

put的操做和offer類似，這裏就省略了，再看下poll

看下dequeue，把頭結點取出來，把下個節點設爲頭結點

以上就是LinkedBlockingQueue。

經過上述兩種隊列的講解，咱們大概知道了隊列存取元素的大體過程，其餘隊列和上述兩種隊列的api大體相同，因此接下重點講述隊列的大體特色，再也不對api進行詳細的描述。

 

PriorityQueue

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     PriorityQueue並非阻塞隊列，在這裏講述是由於，接下來的幾個隊列都是基於他的擴展。PriorityQueue和ArrayBlockingQueue同樣，內部維護了一個定長數組，若是不指定長度，默認長度就是11。PriorityQueue是一個優先級隊列，元素的順序並非按照插入順序而來，而是按照元素的大小來判斷。默認的比較器是從小到大，即隊首的元素老是最小的。固然。能夠自定義比較器。

    PriorityQueue的優先級經過二叉小頂堆實現，他的邏輯結構是一棵徹底二叉樹，存儲結構實際上是一個數組。邏輯結構層次遍歷的結果恰好是一個數組。這裏借鑑網上的一幅圖

 

咱們看下添加元素的過程，這裏重點是siftUp方法

            

由上圖能夠看出，PriorityQunue 最關鍵的即是 比較-交換 步驟。 添加元素都是先放到最後，而後再與本身的父節點比較

再看下獲取元素的步驟

      

 這裏還有種狀況，就是方法，刪除中間的某個元素，這就是上述兩種變化的結合，首先刪除 i 下標的元素，而後把末尾的元素放置到 i 座標，先向下比較看看，再向上比較。具體的代碼這裏就省略了。

 以上就是PriorityQueue的具體分析。

 

DelayQueue

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DelayQueue 是延遲阻塞隊列，隊列中的元素只有當其指定的延遲時間到了，纔可以從隊列中獲取到該元素。DelayQueue是一個沒有大小限制的隊列，所以往隊列中插入數據的操做（生產者）永遠不會被阻塞，而只有獲取數據的操做（消費者）纔會被阻塞。

DelayQueue內部經過PriorityQueue實現延遲的權重排序 ，其比較器是 Comparable<Delayed> 

主要看存元素的api

這裏關鍵的是  

first.getDelay(NANOSECONDS)>0

 因此咱們在實現 Delayed的時候 實現類裏面必定得要有時間能夠記錄到什麼過時，若是過時了必定要返回負數

DelayQueue平時比較少見，可是咱們能夠用它作一些很靈活的事情，例如緩存過時，空閒鏈接去除。按照DelayQueue的特性，隊首的元素老是最早過時的，咱們能夠用一個後臺線程監聽DelayQueue的隊首元素。

這裏  你們能夠參考下用 DelayQueue實現一個過時緩存清除的功能。

 

PriorityBlockingQueue

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 PriorityBlockingQueue是優先級阻塞隊列，他和咱們上文講的PriorityQueue很是類似。可是呢他又多了點阻塞的東西，準確來講是多了半點。由於在作put操做的時候是不會有阻塞的

就算咱們給他一個初始大小，可是若是容量不夠還會去擴容

因此咱們在往裏面put的時候要注意，萬一輩子產者一直在生產，消費者掛了，那麼內存很容易就會被耗盡

 

SynchronousQueue

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 在線程池裏面，你們必定見到過這個隊列。這是一個不直接存放元素的隊列，他存儲的其實是他內置的Node。它生產產品（即put的時候），若是當前沒有人想要消費產品(即當前沒有線程執行take)，今生產線程必須阻塞，等待一個消費線程調用take操做，take操做將會喚醒該生產線程，同時消費線程會獲取生產線程的產品。具體的流程我舉個例子

步驟一，調用put線程，存儲元素

 

步驟二，再次調用put線程，存儲元素 ，在調用一個take線程，取出一個元素

這個時候take線程會和put("b")配對，配對成功後put("a")線程就會成爲頭結點，整個流程以下圖所示

SynchronousQueue有兩種模式，公平和非公平，默認是非公平的。內部有兩種數據結構，分別是是隊列和棧來表示公平和非公平兩種模式。上圖所描述的是非公平模式，即先進後出。具體細節仍是得從代碼裏看。

首先看下存取元素的api

 

 

兩個方法都調用的  transfer 方法，這就是一個配對的方法。這裏截取核心部分的transfer方法供你們參考

這裏採用了大量的CAS操做進行更新，初看有點亂，可是心中熟記這是個配對方法，再debug幾回。代碼就會很清晰了。

 

 

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 參考：

https://blog.csdn.net/u013309870/article/details/71189189 【Java堆結構PriorityQueue徹底解析】

http://www.cnblogs.com/leesf456/p/5560362.html 【SynchronousQueue分析】