Java面试——阻塞队列

一、阻塞队列

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【1】首先它是一个队列，而一个阻塞队列在数据结构中所起的作用大致如下图所示：

当阻塞队列为空时，从队列中获取元素的操作将会被阻塞。
当阻塞队列是满时，往队列中添加元素的操作将会被阻塞。
【2】在多线程领域：所谓阻塞，在某些情况下会挂起线程（即阻塞），一旦条件满足，被挂起的线程又会自动被唤醒。
【3】为什么需要 BlockingQueue：好处在于我们不需要关心什么时候阻塞线程，什么时候需要唤醒线程，因为这一切 BlockingQueue 都给你一手包办了。
【4】在 concurrent 包发布以前，在多线程环境下，我们每个程序员都必须去自己控制这个细节，尤其还要兼顾效率和线程安全，而这会给我们的程序带来不小的复杂性。

二、架构分析

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【1】阻塞队列的架构图：阻塞队列与 List 具有很多类似之处，对比着学习会更加容易一些。

【2】阻塞队列重点子类说明： 
   ■  ArrayBlockingQueue：由数组结构组成的有界阻塞队列。
   ■  LinkedBlockingQueue：由链表结构组成的有界（大小默认值为 Integer.MAX_VALUE <21亿左右，相当于无界>）阻塞队列。
   ■  PriorityBlockingQueue：支持优先级排序的无界阻塞队列。
   ■  DelayQueue：使用优先级队列实现的延迟无界阻塞队列。
   ■  SynchronousQueue：不存储元素的阻塞队列，也即单个元素的队列。
   ■  LinkedTransferQueue：由链表结构组成的无界阻塞队列。
   ■  LinkedBlockingQeque：有链表组成的双向阻塞队列。

三、BlockingQueue 的核心方法

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【1】 抛出异常：当阻塞队列满时，再往队列中 add 插入元素会抛出 IllegalStateException:Queuefull。当队列为空时，再从队列中 remove 移除元素会抛出 NoSuchElementException。实例如下：

public class BlockingQueueDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //必须制定默认的大小，arrayList 不用指定是因为默认值为 10
        ArrayBlockingQueue<String> blocking = new ArrayBlockingQueue<>(2);
        //正常插入2个
        blocking.add("a");
        blocking.add("b");
        //add 第三个是出现如下错误 java.lang.IllegalStateException: Queue full
        //blocking.add("c");
 
        //该方法会获取阻塞队列中，将要出队列的值。这里的 a
        blocking.element();
 
        //正常删除插入的两个值
        blocking.remove();
        blocking.remove();
        //当阻塞队列中为空时，使用remove，出现如下错误 java.util.NoSuchElementException
        //blocking.remove();
 
        //如果为空值，则抛出  java.util.NoSuchElementException
        blocking.element();
    }
}

【2】特殊值：使用插入方法 offer() 向阻塞队列中插入值时，阻塞队列未满，插入成功后返回 true。如果阻塞队列已满，则插入失败返回 false。使用移除方法 poll()，如果阻塞队列中有值，则移除成功返回队列的元素第一个元素，如果队列为空则返回 null 。

public class BlockingQueueDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //必须制定默认的大小，arrayList 不用指定是因为默认值为 10
        ArrayBlockingQueue<String> blocking = new ArrayBlockingQueue<>(2);
        //正常插入2个返回 true
        System.out.println(blocking.offer("a"));
        System.out.println(blocking.offer("b"));
        //offer 第三个是返回 false
        System.out.println(blocking.offer("c"));
 
        //该方法会获取阻塞队列中，将要出队列的值。这里的 a
        System.out.println(blocking.peek());
 
        //正常取出插入的两个值 a b
        System.out.println(blocking.poll());
        System.out.println(blocking.poll());
        //当阻塞队列中为空时，poll 的到 null
        System.out.println(blocking.poll());
 
        //如果为空值，则为 null
        System.out.println(blocking.peek());
    }
}

【3】一直阻塞：当阻塞队列满时，生产者继续向队列中 put 元素，队列会一直阻塞生产线程直到 put 数据或者响应中断。当阻塞队列为空时，消费者线程试图从队列中 take 元素，队列会一直阻塞消费者线程直到队列可用。

 1 public class BlockingQueueDemo1 {
 2     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 3         //必须制定默认的大小，arrayList 不用指定是因为默认值为 10
 4         ArrayBlockingQueue<String> blocking = new ArrayBlockingQueue<>(2);
 5         //正常插入2个返回 true
 6         blocking.put("a");
 7         blocking.put("b");
 8         //put 第三时，线程会被阻塞，直到有人消费掉阻塞队列中的元素。
 9         blocking.put("c");
10
11         //正常取出插入的两个值 a b
12         blocking.take();
13         blocking.take();
14         //当阻塞队列中为空时，take 会阻塞线程，直到队列中有元素
15         blocking.take();
16     }
17 }

【4】超时退出：当阻塞队列满时，队列会阻塞生产者线程一段时间，超过指定时间生产者线程会退出，并返回 false。当阻塞队列为空时，通过 poll 指定获取时间，超过时间后，消费者线程会退出，并返回 null。

 1 public class BlockingQueueDemo1 {
 2     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 3         //必须制定默认的大小，arrayList 不用指定是因为默认值为 10
 4         ArrayBlockingQueue<String> blocking = new ArrayBlockingQueue<>(2);
 5         //正常插入2个返回 true
 6         blocking.offer("a");
 7         blocking.offer("b");
 8         //put 第三时，线程会被阻塞，直到有人消费掉阻塞队列中的元素。
 9         System.out.println("开始第3 个元素插入==开始");
10         blocking.offer("c",3, TimeUnit.SECONDS);
11         System.out.println("开始第3 个元素插入==结束");
12
13         //正常取出插入的两个值 a b
14         blocking.poll();
15         blocking.poll();
16         //当阻塞队列中为空时，take 会阻塞线程，直到队列中有元素
17         System.out.println("开始第3 个元素获取==开始");
18         blocking.poll(3,TimeUnit.SECONDS);
19         System.out.println("开始第3 个元素获取==结束");
20     }
21 }

四、SynchronousQueue

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SynchronousQueue 没有容量，与其他 BlockingQueue 不同，SynchronousQueue  是一个不存储元素的阻塞队列。每一个put 操作必须要等待一个 take 操作，否则不能续集添加元素，反之亦然。

 1 public class SynchronousQueueDemo {
 2     public static void main(String[] args) {
 3         SynchronousQueue<String> queue = new SynchronousQueue<>();
 4         //创建两个线程对数据进行操作
 5         //生产者线程，生产三个数据
 6         new Thread(()->{
 7             try {
 8                 System.out.println("插入第一个数据 A 线程名："+Thread.currentThread().getName());
 9                 queue.put("a");
10                 System.out.println("插入第二个数据 B 线程名："+Thread.currentThread().getName());
11                 queue.put("b");
12                 System.out.println("插入第二个数据 C 线程名："+Thread.currentThread().getName());
13                 queue.put("c");
14             } catch (InterruptedException e) {
15                 e.printStackTrace();
16             }
17         },String.valueOf("Product")).start();
18
19         //消费者线程，消费三个数据
20         new Thread(()->{
21             try {
22                 TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
23                 System.out.println("3秒后消费第一个数据 A 线程名："+Thread.currentThread().getName());
24                 queue.take();
25                 TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
26                 System.out.println("3秒后消费第二个数据 B 线程名："+Thread.currentThread().getName());
27                 queue.take();
28                 TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
29                 System.out.println("3秒后消费第二个数据 C 线程名："+Thread.currentThread().getName());
30                 queue.take();
31             } catch (InterruptedException e) {
32                 e.printStackTrace();
33             }
34         },String.valueOf("Consumer")).start();
35     }
36 }

输出结果展示：
 

五、ArrayBlockingQueue 与 LinkedBlockingQueue 区别

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【1】底层实现：ArrayBlockingQueue ：底层基于数组实现，在对象创建时需要指定数组大小。在构建对象时，已经创建了数组。所以使用Array需要特别注意设定合适的队列大小，如果设置过大会造成内存浪费。如果设置内存太小，就会影响并发的性能。功能上，其内部维护了两个索引指针 putIndex和 takeIndex。putIndex表示下次调用 offer时存放元素的位置，takeIndex表示的时下次调用take时获取的元素。有了这两个索引的支持后，还是无法说明白其底层的实现原理。那么我们来看一段其内部出现最多的代码：

int i = takeIndex;
...
if (++i == items.length)
    i = 0;
...

这几行在代码在 Array中几乎每个函数都会用到。意思不管是在读取元素，或者存放元素，如果到达数组的最后一个元素，直接将索引移动到第一个位置。你可能会想，如果我一直往队列中添加元素而不取，添加的元素个数超过了数组长度，会不会覆盖之前添加的元素。在实际使用过程中是不会出现这种情况的，其内部使用了ReentrantLock的Condition[链接]，这部分在并发支持中介绍。
LinkedBlockingQueue：底层基于单向链表实现。实现了队列的功能，元素到来放到链表头，从链表尾部取数据。这种数据结构没有必要使用双向链表。链表的好处（数组的没有的）是不用提前分配内存。Link也支持在创建对象时指定队列长度，如果没有指定，默认为Integer.MAX_VALUE。
【2】并发支持：最大的区别就是 Array内部只有一把锁，offer 和 take使用同一把锁，而 Link的 offer和 take使用不同的锁。

ReentrantLock 和 Condition的关系：ReentrantLock内部维护了一个双向链表，链表上的每个节点都会保存一个线程，锁在双向链表的头部自选，取出线程执行。而 Condition内部同样维持着一个双向链表，但是向链表中添加元素（await）和从链表中移除（signal）元素没有像 ReentrantLock那样，保证线程安全，所以在调用 Condition的 await()和 signal()方法时，需要在 lock.lock()和 lock.unlock()之间以保证线程的安全。在调用 Condition的 signal时，它从自己的双向链表中取出一个节点放到了 ReentrantLock的双向链表中，所以在具体的运行过程中不管 ReentrantLock new 了几个 Condition其实内部公用的一把锁。介绍完这个之后，我么来分析 ArrayBlockingQueue和 LinkedBlockingQueue的内部实现不同。

ArrayBlockingQueue：先看其内部锁的定义：

int count;
lock = new ReentrantLock(fair);
notEmpty = lock.newCondition();
notFull =  lock.newCondition();

lock 是其内部锁，当调用阻塞队列的 offer时，会调用 notEmpty.signal() 通知之前因为队列空而被阻塞的线程。同时在 take后，如果内部计数器 count=0时，会调用 notEmpty.await() 阻塞调用 take的线程。当调用阻塞队列的 offer时，如果现在 count=内部数组的长度时，会调用 notFull.await()阻塞现在添加元素的所有线程；当调用 take时，总会调用 notFull.signal()唤醒之前因为队列满而阻塞的线程。根据上面分析 ReentrantLock和其 Condition的关系，可以看到放元素和取元素用的同一把锁，无法使放元素和取元素同时进行，只能先后相继执行。

LinkedBlockingQueue：内部锁定义：

/** Current number of elements */
private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();
 
/** Lock held by take, poll, etc */
private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();
 
/** Wait queue for waiting takes */
private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();
 
/** Lock held by put, offer, etc */
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();
 
/** Wait queue for waiting puts */
private final Condition notFull = putLock.newCondition();

count 内部元素计数器使用的原子类型的计数器，使的元素个数的更新支持并发，为下面取和放元素并发提供了支持。takeLock 取元素单独的锁，和放元素分开，这样即使有 Condition也可以使的取和放元素在不同的节点上自选。notEmpty 取元素的Condition锁，和放元素锁分开。putLock notFull 和上面介绍的 takeLock notEmpty一致。通过这种设置，可以将在链表头上放元素和在链表尾部取元素不再竞争锁，在一定程度上可以加快数据处理。

为什么要这么设计呢？因为 ArrayBlockingQueue使用更简单的数据结构来保存队列项。ArrayBlockingQueue将其数据存储在一个私有的final E []items；array中。对于多个线程来处理相同的存储空间，无论是添加还是出列，它们都必须使用相同的锁。这不仅是因为内存障碍，还因为互斥体保护，因为它们正在修改同一个数组。
另一方面，LinkedBlockingQueue是一个队列元素的链接列表，它完全不同，允许有双重锁。队列中元素的内部存储启用了不同的锁配置。
我觉得还是因为数组的入队和出队时间复杂度低，不像列表需要额外维护节点对象。所以当入队和出队并发执行时，阻塞时间很短。如果使用双锁的话，会带来额外的设计复杂性，如 count应被 volatile修饰，并且赋值需要 CAS操作等。而且ArrayBlockingQueue是定长的，当putIndex==length时，putIndex会重置为0，这样入队和出队的 index可能是同一个，在这种情况下还需要考虑锁之间的通讯，参考读写锁。

六、应用场景

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【1】生产者消费者：链接
【2】线程池：链接
【3】消息中间件

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