【java多線程】隊列系統之說說隊列Queue

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一、簡介

Queue（隊列）：一種特殊的線性表，它只容許在表的前端（front）進行刪除操做，只容許在表的後端（rear）進行插入操做。進行插入操做的端稱爲隊尾，進行刪除操做的端稱爲隊頭。

每一個元素老是從隊列的rear端進入隊列，而後等待該元素以前的全部元素出隊以後，當前元素才能出對，遵循先進先出（FIFO）原則。

下面是Queue類的繼承關係圖：

圖中咱們能夠看到，最上層是Collection接口，Queue知足集合類的全部方法：

• add(E e)：增長元素；
• remove(Object o)：刪除元素；
• clear()：清除集合中全部元素；
• size()：集合元素的大小；
• isEmpty()：集合是否沒有元素；
• contains(Object o)：集合是否包含元素o。

二、隊列

2.一、Queue

Queue：隊列的上層接口，提供了插入、刪除、獲取元素這3種類型的方法，並且對每一種類型都提供了兩種方式，先來看看插入方法：

• add(E e)：插入元素到隊尾，插入成功返回true，沒有可用空間拋出異常 IllegalStateException。
• offer(E e)： 插入元素到隊尾，插入成功返回true，不然返回false。

add和offer做爲插入方法的惟一不一樣就在於隊列滿了以後的處理方式。add拋出異常，而offer返回false。

再來看看刪除和獲取元素方法（和插入方法相似）：

• remove()：獲取並移除隊首的元素，該方法和poll方法的不一樣之處在於，若是隊列爲空該方法會拋出異常，而poll不會。
• poll()：獲取並移除隊首的元素，若是隊列爲空，返回null。
• element()：獲取隊列首的元素，該方法和peek方法的不一樣之處在於，若是隊列爲空該方法會拋出異常，而peek不會。
• peek()：獲取隊列首的元素，若是隊列爲空，返回null。

若是隊列是空，remove和element方法會拋出異常，而poll和peek返回null。

固然，Queue只是單向隊列，爲了提供更強大的功能，JDK在1.6的時候新增了一個雙向隊列Deque，用來實現更靈活的隊列操做。

2.二、Deque

Deque在Queue的基礎上，增長了如下幾個方法：

• addFirst(E e)：在前端插入元素，異常處理和add同樣；
• addLast(E e)：在後端插入元素，和add同樣的效果；
• offerFirst(E e)：在前端插入元素，異常處理和offer同樣；
• offerLast(E e)：在後端插入元素，和offer同樣的效果；
• removeFirst()：移除前端的一個元素，異常處理和remove同樣；
• removeLast()：移除後端的一個元素，和remove同樣的效果；
• pollFirst()：移除前端的一個元素，和poll同樣的效果；
• pollLast()：移除後端的一個元素，異常處理和poll同樣；
• getFirst()：獲取前端的一個元素，和element同樣的效果；
• getLast()：獲取後端的一個元素，異常處理和element同樣；
• peekFirst()：獲取前端的一個元素，和peek同樣的效果；
• peekLast()：獲取後端的一個元素，異常處理和peek同樣；
• removeFirstOccurrence(Object o)：從前端開始移除第一個是o的元素；
• removeLastOccurrence(Object o)：從後端開始移除第一個是o的元素；
• push(E e)：和addFirst同樣的效果；
• pop()：和removeFirst同樣的效果。

能夠發現，其實不少方法的效果都是同樣的，只不過名字不一樣。好比Deque爲了實現Stack的語義，定義了push和pop兩個方法。

三、阻塞隊列

3.一、BlockingQueue

BlockingQueue（阻塞隊列），在Queue的基礎上實現了阻塞等待的功能。它是JDK 1.5中加入的接口，它是指這樣的一個隊列：當生產者向隊列添加元素但隊列已滿時，生產者會被阻塞；當消費者從隊列移除元素但隊列爲空時，消費者會被阻塞。

先給出BlockingQueue新增的方法：

• put(E e)：向隊尾插入元素。若是隊列滿了，阻塞等待，直到被中斷爲止。
• boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)：向隊尾插入元素。若是隊列滿了，阻塞等待timeout個時長，若是到了超時時間尚未空間，拋棄該元素。
• take()：獲取並移除隊首的元素。若是隊列爲空，阻塞等待，直到被中斷爲止。
• poll(long timeout, TimeUnit unit)：獲取並移除隊首的元素。若是隊列爲空，阻塞等待timeout個時長，若是到了超時時間尚未元素，則返回null。
• remainingCapacity()：返回在無阻塞的理想狀況下（不存在內存或資源約束）此隊列能接受的元素數量，若是該隊列是無界隊列，返回Integer.MAX_VALUE。
• drainTo(Collection<? super E> c)：移除此隊列中全部可用的元素，並將它們添加到給定 collection 中。
• drainTo(Collection<? super E> c, int maxElements)：最多今後隊列中移除給定數量的可用元素，並將這些元素添加到給定 collection 中。

BlockingQueue最重要的也就是關於阻塞等待的幾個方法，而這幾個方法正好能夠用來實現生產-消費的模型。

從圖中咱們能夠知道實現了BlockingQueue的類有如下幾個：

• 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。
• SynchronousQueue：一個不存儲元素的阻塞隊列。
• DelayQueue：一個使用優先級隊列實現的無界阻塞隊列。

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者公平的訪問隊列，所謂公平訪問隊列是指阻塞的全部生產者線程或消費者線程，當隊列可用時，能夠按照阻塞的前後順序訪問隊列，即先阻塞的生產者線程，能夠先往隊列裏插入元素，先阻塞的消費者線程，能夠先從隊列裏獲取元素。一般狀況下爲了保證公平性會下降吞吐量。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);

View Code

訪問者的公平性是使用可重入鎖實現的，代碼以下：

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();
}

View Code

 

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。

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。

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。

3.二、BlockingDeque

BlockingDeque（阻塞雙端隊列）在Deque的基礎上實現了雙端阻塞等待的功能。和第2節說的相似，BlockingDeque也提供了雙端隊列該有的阻塞等待方法：

• putFirst(E e)：在隊首插入元素，若是隊列滿了，阻塞等待，直到被中斷爲止。
• putLast(E e)：在隊尾插入元素，若是隊列滿了，阻塞等待，直到被中斷爲止。
• offerFirst(E e, long timeout, TimeUnit unit)：向隊首插入元素。若是隊列滿了，阻塞等待timeout個時長，若是到了超時時間尚未空間，拋棄該元素。
• offerLast(E e, long timeout, TimeUnit unit)：向隊尾插入元素。若是隊列滿了，阻塞等待timeout個時長，若是到了超時時間尚未空間，拋棄該元素。
• takeFirst()：獲取並移除隊首的元素。若是隊列爲空，阻塞等待，直到被中斷爲止。
• takeLast()：獲取並移除隊尾的元素。若是隊列爲空，阻塞等待，直到被中斷爲止。
• pollFirst(long timeout, TimeUnit unit)：獲取並移除隊首的元素。若是隊列爲空，阻塞等待timeout個時長，若是到了超時時間尚未元素，則返回null。
• pollLast(long timeout, TimeUnit unit)：獲取並移除隊尾的元素。若是隊列爲空，阻塞等待timeout個時長，若是到了超時時間尚未元素，則返回null。
• removeFirstOccurrence(Object o)：從隊首開始移除第一個和o相等的元素。
• removeLastOccurrence(Object o)：從隊尾開始移除第一個和o相等的元素。

從圖中咱們能夠知道實現了BlockingDeque的類有：

• LinkedBlockingDeque：一個由鏈表結構組成的雙向阻塞隊列。

3.三、TransferQueue

TransferQueue是JDK 1.7對於併發類庫新增長的一個接口，它擴展自BlockingQueue，因此天然保持着阻塞隊列的全部特性。

有人這樣評價它：TransferQueue是是ConcurrentLinkedQueue、SynchronousQueue (公平模式下)、無界的LinkedBlockingQueues等的超集。

TransferQueue對比與BlockingQueue更強大的一點是，生產者會一直阻塞直到所添加到隊列的元素被某一個消費者所消費（不只僅是添加到隊列裏就完事）。新添加的transfer方法用來實現這種約束。顧名思義，阻塞就是發生在元素從一個線程transfer到另外一個線程的過程當中，它有效地實現了元素在線程之間的傳遞（以創建Java內存模型中的happens-before關係的方式）。

咱們來看看該接口提供的標準方法：

• tryTransfer(E e)：若當前存在一個正在等待獲取的消費者線程（使用take()或者poll()函數），使用該方法會即刻轉移/傳輸對象元素e並當即返回true；若不存在，則返回false，而且不進入隊列。這是一個不阻塞的操做。
• transfer(E e)：若當前存在一個正在等待獲取的消費者線程，即馬上移交之；不然，會插入當前元素e到隊列尾部，而且等待進入阻塞狀態，到有消費者線程取走該元素。
• tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit)：若當前存在一個正在等待獲取的消費者線程，會當即傳輸給它;不然將插入元素e到隊列尾部，而且等待被消費者線程獲取消費掉；若在指定的時間內元素e沒法被消費者線程獲取，則返回false，同時該元素被移除。
• hasWaitingConsumer()：判斷是否存在消費者線程。
• getWaitingConsumerCount()：獲取全部等待獲取元素的消費線程數量。

其實transfer方法在SynchronousQueue的實現中就已存在了,只是沒有作爲API暴露出來。SynchronousQueue有一個特性:它自己不存在容量,只能進行線程之間的元素傳送。SynchronousQueue在執行offer操做時，若是沒有其餘線程執行poll，則直接返回false.線程之間元素傳送正是經過transfer方法完成的。

TransferQueue相比SynchronousQueue用處更廣、更好用，由於你能夠決定是使用BlockingQueue的方法（例如put方法）仍是確保一次傳遞完成（即transfer方法）。在隊列中已有元素的狀況下，調用transfer方法，能夠確保隊列中被傳遞元素以前的全部元素都能被處理。

從圖中咱們能夠知道實現了TransferQueue的類有：

• LinkedTransferQueue：一個由鏈表結構組成的無界阻塞隊列。

好了，隊列的API先說到這裏，下面我會另起一文重點說說阻塞隊列的那些個實現類的原理。