java中的阻塞隊列——BlockingQueue

BlockingQueue的簡單介紹

BlockingQueue隊列是一種數據結構，它有兩個基本操做：在隊列尾部加人一個元素，和從隊列頭部移除一個元素就是說，隊列以一種先進先出的方式管理數據，若是你試圖向一個已經滿了的阻塞隊列中添加一個元素或者是從一個空的阻塞隊列中移除一個元素，將致使線程阻塞。

在多線程進行合做時，阻塞隊列是頗有用的工具。工做者線程能夠按期地把中間結果存到阻塞隊列中而其餘工做者線程把中間結果取出並在未來修改它們。隊列會自動平衡負載。若是第一個線程集運行得比第二個慢，則第二個線程集在等待結果時就會阻塞。若是第一個線程集運行得快，那麼它將等待第二個線程集遇上來。

而BlockingQueue隊列也是一組數據集合，它繼承了Queue接口，而Queue接口繼承了Collection接口。

阻塞隊列提供了四種處理方法:

方法，處理方式	拋出異常	返回特殊值	一直阻塞	超時退出
插入方法	add(e)	offer(e)	put(e)	offer(e,time,unit)
移除方法	remove()	poll()	take()	poll(time,unit)
檢查方法	element()	peek()	不可用	不可用

• 拋出異常：是指當阻塞隊列滿時候，再往隊列裏插入元素，會拋出IllegalStateException(「Queue full」)異常。當隊列爲空時，從隊列裏獲取元素時會拋出NoSuchElementException異常 。
• 返回特殊值：插入方法會返回是否成功，成功則返回true。移除方法，則是從隊列裏拿出一個元素，若是沒有則返回null
• 一直阻塞：當阻塞隊列滿時，若是生產者線程往隊列裏put元素，隊列會一直阻塞生產者線程，直到拿到數據，或者響應中斷退出。當隊列空時，消費者線程試圖從隊列裏take元素，隊列也會阻塞消費者線程，直到隊列可用。
• 超時退出：當阻塞隊列滿時，隊列會阻塞生產者線程一段時間，若是超過必定的時間，生產者線程就會退出。

Java裏的阻塞隊列

java.util.concurrent包中提供了一系列的阻塞隊列，好比：

• 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。默認狀況下不保證訪問隊列的公平性（不保證生產線程先阻塞先插入或者消費線程的先阻塞先獲取）。而若是保證訪問隊列的公平性則會下降隊列訪問的吞吐量。

咱們可使用如下代碼建立一個公平的阻塞隊列：

ArrayBlockingQueue fairQueue = new  ArrayBlockingQueue(1000,true);

訪問者的公平性是使用可重入鎖實現的

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();
 }

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爲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。默認狀況下元素採起天然順序排列，也能夠經過比較器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，在建立元素時能夠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。

咱們能夠將DelayQueue運用在如下應用場景：

• 緩存系統的設計：能夠用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，從好比TimerQueue就是使用DelayQueue實現的。
• 隊列中的Delayed必須實現compareTo來指定元素的順序。好比讓延時時間最長的放在隊列的末尾。

查看ScheduledThreadPoolExecutor裏ScheduledFutureTask類。這個類實現了Delayed接口。

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

//延時時間最長的放置到隊列的末尾
public int compareTo(Delayed other) {
    if (other == this) // compare zero if same object
        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 diff = getDelay(NANOSECONDS) - other.getDelay(NANOSECONDS);
    return (diff < 0) ? -1 : (diff > 0) ? 1 : 0;
}

//能夠獲取當前元素還須要延遲多久
//而當time小於當前時間時，getDelay會返回負數
public long getDelay(TimeUnit unit) {
    return unit.convert(time - now(), NANOSECONDS);
}

延時隊列的實現

public RunnableScheduledFuture<?> take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        for (;;) {
            RunnableScheduledFuture<?> first = queue[0];
            if (first == null)
                available.await();
            else {
                long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);//獲取延時時間
                if (delay <= 0)
                    return finishPoll(first);
                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 && queue[0] != null)
            available.signal();
        lock.unlock();
    }
}

SynchronousQueue

SynchronousQueue是一個不存儲元素的阻塞隊列。每個put操做必須等待一個take操做，不然不能繼續添加元素。SynchronousQueue能夠當作是一個傳球手，負責把生產者線程處理的數據直接傳遞給消費者線程。隊列自己並不存儲任何元素，很是適合於傳遞性場景,好比在一個線程中使用的數據，傳遞給另一個線程使用，SynchronousQueue的吞吐量高於LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue。

LinkedTransferQueue

LinkedTransferQueue是一個由鏈表結構組成的無界阻塞TransferQueue隊列。相對於其餘阻塞隊列LinkedTransferQueue多了tryTransfer和transfer方法。

transfer方法。若是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方法能夠把生產者傳入的元素馬上transfer（傳輸）給消費者。若是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。

transfer方法的關鍵代碼以下：

//試圖把存放當前元素的s節點做爲tail節點
Node pred = tryAppend(s, haveData);
//讓CPU自旋等待消費者消費元素。由於自旋會消耗CPU，因此自旋必定的次數後使用Thread.yield()方法來暫停當前正在執行的線程，並執行其餘線程。
return awaitMatch(s, pred, e, (how == TIMED), nanos);

tryTransfer方法。則是用來試探下生產者傳入的元素是否能直接傳給消費者。若是沒有消費者等待接收元素，則返回false。

tryTransfer方法和transfer方法的區別？ tryTransfer方法不管消費者是否接收，方法當即返回。而transfer方法是必須等到消費者消費了才返回。

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，可是若是沒有消費者消費該元素則等待指定的時間再返回，若是超時還沒消費元素，則返回false，若是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能夠從隊列的兩端插入和移出元素。雙端隊列由於多了一個操做隊列的入口，在多線程同時入隊時，也就減小了一半的競爭。相比其餘的阻塞隊列，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。可是take方法卻等同於takeFirst，因此咱們在使用時仍是用帶有First和Last後綴的方法更清楚。在初始化LinkedBlockingDeque時能夠初始化隊列的容量，用來防止其再擴容時過渡膨脹。另外雙向阻塞隊列能夠運用在「工做竊取」模式中。

阻塞隊列的實現原理

若是隊列是空的，消費者會一直等待，當生產者添加元素時候，消費者是如何知道當前隊列有元素的呢？若是讓你來設計阻塞隊列你會如何設計，讓生產者和消費者可以高效率的進行通信呢？讓咱們先來看看JDK是如何實現的。

使用通知模式實現。所謂通知模式，就是當生產者往滿的隊列裏添加元素時會阻塞住生產者，當消費者消費了一個隊列中的元素後，會通知生產者當前隊列可用。經過查看JDK源碼發現ArrayBlockingQueue使用了Condition來實現，代碼以下：

private final Condition notFull;
private final Condition notEmpty;

public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
    ......
    notEmpty = lock.newCondition();
    notFull =  lock.newCondition();
}

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();
    }
}

public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        while (count == 0)
            notEmpty.await();
        return dequeue();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}


//插入元素
private void enqueue(E x) {
    final Object[] items = this.items;
    items[putIndex] = x;
    if (++putIndex == items.length)
        putIndex = 0;
    count++;
    notEmpty.signal();
}

當咱們往隊列裏插入一個元素時，若是隊列不可用，阻塞生產者主要經過LockSupport.park(this);來實現

public final void await() throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException();
    Node node = addConditionWaiter();
    int savedState = fullyRelease(node);
    int interruptMode = 0;
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        LockSupport.park(this);//經過LockSupport.park掛起當前線程
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
            break;
    }
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
        interruptMode = REINTERRUPT;
    if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
        unlinkCancelledWaiters();
    if (interruptMode != 0)
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}

關於LockSupport的park和unpark方法咱們能夠參考https://my.oschina.net/cqqcqqok/blog/2049659

參考地址：
http://ifeve.com/java-blocking-queue/