Java多线程：队列与阻塞队列

1. 什么是阻塞队列

阻塞队列（BlockingQueue）是 Java 5 并发新特性中的内容，阻塞队列的接口是 java.util.concurrent.BlockingQueue，它提供了两个附加操作：当队列中为空时，从队列中获取元素的操作将被阻塞；当队列满时，向队列中添加元素的操作将被阻塞。

阻塞队列常用于生产者和消费者的场景，生产者是往队列里添加元素的线程，消费者是从队列里拿元素的线程。阻塞队列就是生产者存放元素的容器。

阻塞队列提供了四种操作方法：

抛出异常：当队列满时，再向队列中插入元素，则会抛出IllegalStateException异常。当队列空时，再向队列中获取元素，则会抛出NoSuchElementException异常。
返回特殊值：当队列满时，向队列中添加元素，则返回false，否则返回true。当队列为空时，向队列中获取元素，则返回null，否则返回元素。
一直阻塞：当阻塞队列满时，如果生产者向队列中插入元素，则队列会一直阻塞当前线程，直到队列可用或响应中断退出。当阻塞队列为空时，如果消费者线程向阻塞队列中获取数据，则队列会一直阻塞当前线程，直到队列空闲或响应中断退出。
超时退出：当队列满时，如果生产线程向队列中添加元素，则队列会阻塞生产线程一段时间，超过指定的时间则退出返回false。当队列为空时，消费线程从队列中移除元素，则队列会阻塞一段时间，如果超过指定时间退出返回null。

2. Java中的阻塞队列

下面分别简单介绍一下：

ArrayBlockingQueue：是一个用数组实现的有界阻塞队列，此队列按照先进先出（FIFO）的原则对元素进行排序。支持公平锁和非公平锁。【注：每一个线程在获取锁的时候可能都会排队等待，如果在等待时间上，先获取锁的线程的请求一定先被满足，那么这个锁就是公平的。反之，这个锁就是不公平的。公平的获取锁，也就是当前等待时间最长的线程先获取锁】
LinkedBlockingQueue：一个由链表结构组成的有界队列，此队列的长度为Integer.MAX_VALUE。此队列按照先进先出的顺序进行排序。
PriorityBlockingQueue： 一个支持线程优先级排序的无界队列，默认自然序进行排序，也可以自定义实现compareTo()方法来指定元素排序规则，不能保证同优先级元素的顺序。
DelayQueue： 一个实现PriorityBlockingQueue实现延迟获取的无界队列，在创建元素时，可以指定多久才能从队列中获取当前元素。只有延时期满后才能从队列中获取元素。（DelayQueue可以运用在以下应用场景：1.缓存系统的设计：可以用DelayQueue保存缓存元素的有效期，使用一个线程循环查询DelayQueue，一旦能从DelayQueue中获取元素时，表示缓存有效期到了。2.定时任务调度。使用DelayQueue保存当天将会执行的任务和执行时间，一旦从DelayQueue中获取到任务就开始执行，从比如TimerQueue就是使用DelayQueue实现的。）
SynchronousQueue： 一个不存储元素的阻塞队列，每一个put操作必须等待take操作，否则不能添加元素。支持公平锁和非公平锁。SynchronousQueue的一个使用场景是在线程池里。Executors.newCachedThreadPool()就使用了SynchronousQueue，这个线程池根据需要（新任务到来时）创建新的线程，如果有空闲线程则会重复使用，线程空闲了60秒后会被回收。
LinkedTransferQueue： 一个由链表结构组成的无界阻塞队列，相当于其它队列，LinkedTransferQueue队列多了transfer和tryTransfer方法。
LinkedBlockingDeque： 一个由链表结构组成的双向阻塞队列。队列头部和尾部都可以添加和移除元素，多线程并发时，可以将锁的竞争最多降到一半。

Java中线程安全的内置队列还有两个：ConcurrentLinkedQueue和LinkedTransferQueue，它们使用了CAS这种无锁的方式来实现了线程安全的队列。无锁的方式性能好，但是队列是无界的，用在生产系统中，生产者生产速度过快，可能导致内存溢出。有界的阻塞队列ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue，为了减少Java的垃圾回收对系统性能的影响，会尽量选择array/heap格式的数据结构。这样的话就只剩下ArrayBlockingQueue。（先埋个坑在这儿，近来接触到了disruptor，感觉妙不可言。disruptor）

3. 阻塞队列的实现原理

这里分析下ArrayBlockingQueue的实现原理。

构造方法:

ArrayBlockingQueue(int capacity);
ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair);
ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair, Collection<? extends E> c)

ArrayBlockingQueue提供了三种构造方法，参数含义如下：

capacity：容量，即队列大小。
fair：是否公平锁。
c：队列初始化元素，顺序按照Collection遍历顺序。

插入元素：

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();
    }
}

从源码可以看出，生产者首先获得锁lock，然后判断队列是否已经满了，如果满了，则等待，直到被唤醒，然后调用enqueue插入元素。

private void enqueue(E x) {
    // assert lock.getHoldCount() == 1;
    // assert items[putIndex] == null;
    final Object[] items = this.items;
    items[putIndex] = x;
    if (++putIndex == items.length)
        putIndex = 0;
    count++;
    notEmpty.signal();
}

以上是enqueue的实现，实现的操作是插入元素到一个环形数组，然后唤醒notEmpty上阻塞的线程。

获取元素：

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

从源码可以看出，消费者首先获得锁，然后判断队列是否为空，为空，则等待，直到被唤醒，然后调用dequeue获取元素。

private E dequeue() {
    // assert lock.getHoldCount() == 1;
    // assert items[takeIndex] != null;
    final Object[] items = this.items;
    @SuppressWarnings("unchecked")
    E x = (E) items[takeIndex];
    items[takeIndex] = null;
    if (++takeIndex == items.length)
        takeIndex = 0;
    count--;
    if (itrs != null)
        itrs.elementDequeued();
    notFull.signal();
    return x;
}

以上是dequeue的实现，获取环形数组当前takeIndex的元素，并及时将当前元素置为null，设置下一次takeIndex的值takeIndex++，然后唤醒notFull上阻塞的线程。

还有其他方法offer(E e)、poll()、add(E e)、remove()、 offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)等的实现，因为常用take和put，这些方法就不一一赘述了。

4. 阻塞队列的基本使用

/**
 * Created by noly on 2017/5/19.
 */
public class BlockingQueueTest {
 
    public static void main (String[] args) {
        ArrayBlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<Integer>(10);
 
        Consumer consumer = new Consumer(queue);
        Producer producer = new Producer(queue);
 
        producer.start();
        consumer.start();
    }
}
 
class Consumer extends Thread {
    private ArrayBlockingQueue<Integer> queue;
    public Consumer(ArrayBlockingQueue<Integer> queue){
        this.queue = queue;
    }
    @Override
    public void run() {
        while(true) {
            try {
                Integer i = queue.take();
                System.out.println("消费者从队列取出元素:" + i);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}
 
class Producer extends Thread {
    private ArrayBlockingQueue<Integer> queue;
    public Producer(ArrayBlockingQueue<Integer> queue){
        this.queue = queue;
    }
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            try {
                queue.put(i);
                System.out.println("生产者向队列插入元素:" + i);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

如果不使用阻塞队列，使用Object.wait()和Object.notify()、非阻塞队列实现生产者-消费者模式，考虑线程间的通讯，会非常麻烦。

参考资料：

聊聊并发（六）ConcurrentLinkedQueue的实现原理分析

聊聊并发（七）——Java中的阻塞队列

阻塞队列和ArrayBlockingQueue源码解析

高性能队列——Disruptor