併發容器之BlockingQueue

1. BlockingQueue簡介

在實際編程中，會常用到JDK中Collection集合框架中的各類容器類如實現List,Map,Queue接口的容器類，可是這些容器類基本上不是線程安全的，除了使用Collections能夠將其轉換爲線程安全的容器，Doug Lea大師爲咱們都準備了對應的線程安全的容器，如實現List接口的CopyOnWriteArrayList（關於CopyOnWriteArrayList能夠看這篇文章），實現Map接口的ConcurrentHashMap（關於ConcurrentHashMap能夠看這篇文章），實現Queue接口的ConcurrentLinkedQueue（關於ConcurrentLinkedQueue能夠看這篇文章）。

最經常使用的"生產者-消費者"問題中，隊列一般被視做線程間操做的數據容器，這樣，能夠對各個模塊的業務功能進行解耦，生產者將「生產」出來的數據放置在數據容器中，而消費者僅僅只須要在「數據容器」中進行獲取數據便可，這樣生產者線程和消費者線程就可以進行解耦，只專一於本身的業務功能便可。阻塞隊列（BlockingQueue）被普遍使用在「生產者-消費者」問題中，其緣由是BlockingQueue提供了可阻塞的插入和移除的方法。當隊列容器已滿，生產者線程會被阻塞，直到隊列未滿；當隊列容器爲空時，消費者線程會被阻塞，直至隊列非空時爲止。

2. 基本操做

BlockingQueue基本操做總結以下（此圖來源於JAVA API文檔）：

BlockingQueue繼承於Queue接口，所以，對數據元素的基本操做有：

插入元素

1. add(E e) ：往隊列插入數據，當隊列滿時，插入元素時會拋出IllegalStateException異常；
2. offer(E e)：當往隊列插入數據時，插入成功返回true，不然則返回false。當隊列滿時不會拋出異常；

刪除元素

1. remove(Object o)：從隊列中刪除數據，成功則返回true，不然爲false
2. poll：刪除數據，當隊列爲空時，返回null；

查看元素

1. element：獲取隊頭元素，若是隊列爲空時則拋出NoSuchElementException異常；
2. peek：獲取隊頭元素，若是隊列爲空則拋出NoSuchElementException異常

BlockingQueue具備的特殊操做：

插入數據：

1. put：當阻塞隊列容量已經滿時，往阻塞隊列插入數據的線程會被阻塞，直至阻塞隊列已經有空餘的容量可供使用；
2. offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)：若阻塞隊列已經滿時，一樣會阻塞插入數據的線程，直至阻塞隊列已經有空餘的地方，與put方法不一樣的是，該方法會有一個超時時間，若超過當前給定的超時時間，插入數據的線程會退出；

刪除數據

1. take()：當阻塞隊列爲空時，獲取隊頭數據的線程會被阻塞；
2. poll(long timeout, TimeUnit unit)：當阻塞隊列爲空時，獲取數據的線程會被阻塞，另外，若是被阻塞的線程超過了給定的時長，該線程會退出

3. 經常使用的BlockingQueue

實現BlockingQueue接口的有ArrayBlockingQueue, DelayQueue, LinkedBlockingDeque, LinkedBlockingQueue, LinkedTransferQueue, PriorityBlockingQueue, SynchronousQueue，而這幾種常見的阻塞隊列也是在實際編程中會經常使用的，下面對這幾種常見的阻塞隊列進行說明：

1.ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue是由數組實現的有界阻塞隊列。該隊列命令元素FIFO（先進先出）。所以，對頭元素時隊列中存在時間最長的數據元素，而對尾數據則是當前隊列最新的數據元素。ArrayBlockingQueue可做爲「有界數據緩衝區」，生產者插入數據到隊列容器中，並由消費者提取。ArrayBlockingQueue一旦建立，容量不能改變。

當隊列容量滿時，嘗試將元素放入隊列將致使操做阻塞;嘗試從一個空隊列中取一個元素也會一樣阻塞。

ArrayBlockingQueue默認狀況下不能保證線程訪問隊列的公平性，所謂公平性是指嚴格按照線程等待的絕對時間順序，即最早等待的線程可以最早訪問到ArrayBlockingQueue。而非公平性則是指訪問ArrayBlockingQueue的順序不是遵照嚴格的時間順序，有可能存在，一旦ArrayBlockingQueue能夠被訪問時，長時間阻塞的線程依然沒法訪問到ArrayBlockingQueue。若是保證公平性，一般會下降吞吐量。若是須要得到公平性的ArrayBlockingQueue，可採用以下代碼：

private static ArrayBlockingQueue<Integer> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<Integer>(10,true);
複製代碼

關於ArrayBlockingQueue的實現原理，能夠看這篇文章。

2.LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue是用鏈表實現的有界阻塞隊列，一樣知足FIFO的特性，與ArrayBlockingQueue相比起來具備更高的吞吐量，爲了防止LinkedBlockingQueue容量迅速增，損耗大量內存。一般在建立LinkedBlockingQueue對象時，會指定其大小，若是未指定，容量等於Integer.MAX_VALUE

3.PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是一個支持優先級的無界阻塞隊列。默認狀況下元素採用天然順序進行排序，也能夠經過自定義類實現compareTo()方法來指定元素排序規則，或者初始化時經過構造器參數Comparator來指定排序規則。

4.SynchronousQueue

SynchronousQueue每一個插入操做必須等待另外一個線程進行相應的刪除操做，所以，SynchronousQueue實際上沒有存儲任何數據元素，由於只有線程在刪除數據時，其餘線程才能插入數據，一樣的，若是當前有線程在插入數據時，線程才能刪除數據。SynchronousQueue也能夠經過構造器參數來爲其指定公平性。

5.LinkedTransferQueue

LinkedTransferQueue是一個由鏈表數據結構構成的無界阻塞隊列，因爲該隊列實現了TransferQueue接口，與其餘阻塞隊列相比主要有如下不一樣的方法：

transfer(E e) 若是當前有線程（消費者）正在調用take()方法或者可延時的poll()方法進行消費數據時，生產者線程能夠調用transfer方法將數據傳遞給消費者線程。若是當前沒有消費者線程的話，生產者線程就會將數據插入到隊尾，直到有消費者可以進行消費才能退出；

tryTransfer(E e) tryTransfer方法若是當前有消費者線程（調用take方法或者具備超時特性的poll方法）正在消費數據的話，該方法能夠將數據當即傳送給消費者線程，若是當前沒有消費者線程消費數據的話，就當即返回false。所以，與transfer方法相比，transfer方法是必須等到有消費者線程消費數據時，生產者線程纔可以返回。而tryTransfer方法可以當即返回結果退出。

tryTransfer(E e,long timeout,imeUnit unit)
與transfer基本功能同樣，只是增長了超時特性，若是數據才規定的超時時間內沒有消費者進行消費的話，就返回false。

6.LinkedBlockingDeque

LinkedBlockingDeque是基於鏈表數據結構的有界阻塞雙端隊列，若是在建立對象時爲指定大小時，其默認大小爲Integer.MAX_VALUE。與LinkedBlockingQueue相比，主要的不一樣點在於，LinkedBlockingDeque具備雙端隊列的特性。LinkedBlockingDeque基本操做以下圖所示（來源於java文檔）

如上圖所示，LinkedBlockingDeque的基本操做能夠分爲四種類型：1.特殊狀況，拋出異常；2.特殊狀況，返回特殊值如null或者false；3.當線程不知足操做條件時，線程會被阻塞直至條件知足；4. 操做具備超時特性。

另外，LinkedBlockingDeque實現了BlockingDueue接口而LinkedBlockingQueue實現的是BlockingQueue，這兩個接口的主要區別以下圖所示（來源於java文檔）：

從上圖能夠看出，兩個接口的功能是能夠等價使用的，好比BlockingQueue的add方法和BlockingDeque的addLast方法的功能是同樣的。

7.DelayQueue

DelayQueue是一個存放實現Delayed接口的數據的無界阻塞隊列，只有當數據對象的延時時間達到時才能插入到隊列進行存儲。若是當前全部的數據都尚未達到建立時所指定的延時期，則隊列沒有隊頭，而且線程經過poll等方法獲取數據元素則返回null。所謂數據延時期滿時，則是經過Delayed接口的getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS)來進行斷定，若是該方法返回的是小於等於0則說明該數據元素的延時期已滿。