轉自《Java並發編程的藝術》

什麽是阻塞隊列

阻塞隊列（BlockingQueue）是一個支持兩個附加操作的隊列。這兩個附加的操作支持阻塞的插入和移除方法。

1. 支持阻塞的插入方法：意思是當隊列滿時，隊列會阻塞插入元素的線程，直到隊列不滿。
2. 支持阻塞的移除方法：意思是在隊列為空時，獲取元素的線程會等待隊列變為非空。

阻塞隊列常用於生產者和消費者的場景，生產者是向隊列裏添加元素的線程，消費者是從隊列裏取元素的線程。阻塞隊列就是生產者用來存放元素、消費者用來獲取元素的容器。

在阻塞隊列不可用時，這兩個附加操作提供了4種處理方式，詳見下表：

插入和移除操作的4種處理方式

• 拋出異常：當隊列滿時，如果再往隊列裏插入元素，會拋出IllegalStateException("Queue full")異常。當隊列空時，從隊列裏獲取元素會拋出NoSuchElementException異常。
• 返回特殊值：當往隊列插入元素時，會返回元素是否插入成功，成功返回true。如果是移除方法，則是從隊列裏取出一個元素，如果沒有則返回null。
• 一直阻塞：當阻塞隊列滿時，如果生產者線程往隊列裏put元素，隊列會一直阻塞生產者線程，直到隊列可用或者響應中斷退出。當隊列空時，如果消費者線程從隊列裏take元素，隊列會阻塞消費者線程，直到隊列不為空。
• 超時退出：當阻塞隊列滿時，如果生產者線程往隊列裏插入元素，隊列會阻塞生產者線程一段時間，如果超過了指定的時間，生產者線程就會退出。

Java裏的阻塞隊列

JDK 7 提供了7個阻塞隊列，如下：

• 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。

1. 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。

默認情況下不保證線程公平的訪問隊列，所謂公平訪問隊列是指阻塞的線程，可以按照阻塞的先後順序訪問隊列，即先阻塞線程先訪問隊列。非公平性是對先等待的線程時非公平的，當隊列可用時，阻塞的線程都可以爭奪訪問隊列的資格，有可能先阻塞的線程最後才訪問隊列。為了保證公平性，通常會降低吞吐量。

公平與非公平可以在構建阻塞隊列時進行設置。ArrayBlockingQueue的公平性是通過ReentrantLock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為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阻塞隊列。默認情況下元素采取自然順序升序排列。也可以自定義類實現compareTo()方法來指定元素排序規則，或者初始化PriorityBlockingQueue時，指定構造參數Comparator來對元素進行排序。需要註意的是不能保證同優先級元素的順序。

DelayQueue

Delayed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，在創建元素時可以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。

DelayQueue非常有用，可以將DelayQueue運用在以下應用場景。

• 緩存系統的設計：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，比如TimerQueue就是使用DelayQueue實現的。

(1). 如何實現Delayed接口

DelayQueue隊列的元素必須實現Delayed接口。我們可以參考ScheduledThreadPoolExecutor裏ScheduledFutureTask類的實現，一共有三步。

SynchronousQueue

SynchronousQueue是一個不存儲元素的阻塞隊列。每一個put操作必須等待一個take操作，否則不能繼續添加元素。

它支持公平訪問隊列。默認情況下線程采用非公平性策略訪問隊列。使用以下構造方法可以創建公平性訪問的SynchronousQueue，如果設置為true，則等待的線程會采用先進先出的順序訪問隊列。

public SynchronousQueue(boolean fair) {
    transferer = fair new TransferQueue() : new TransferStack();
}

SynchronousQueue可以看成是一個傳球手，負責把生產者線程處理的數據直接傳遞給消費者線程。隊列本身並不存儲任何元素，非常適合傳遞性場景。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。相對於其他阻塞隊列，LinkedTransferQueue多了tryTransfer和transfer方法。

(1). transfer方法

如果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方法可以把生產者傳入的元素立刻transfer（傳輸）給消費者。如果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方法的關鍵代碼如下。

Node pred = tryAppend(s, haveData);
return awaitMatch(s, pred, e, (how == TIMED), nanos);

第一行代碼是試圖把存放當前元素的s節點作為tail節點。第二行代碼是讓CPU自旋等待消費者消費元素。因為自旋會消耗CPU，所以自旋一定的次數後使用Thread.yield()方法來暫停當前正在執行的線程，並執行其他線程。

(2). tryTransfer方法

tryTransfer方法是用來試探生產者傳入的元素是否能直接傳給消費者。如果沒有消費者等待接收元素，則返回false。和transfer方法的區別是tryTransfer方法無論消費者是否接收，方法立即返回，而transfer方法是必須等到消費者消費了才返回。

對於帶有時間限制的tryTransfer（E e，long timeout，TimeUnit unit）方法，試圖把生產者傳入的元素直接傳給消費者，但是如果沒有消費者消費該元素則等待指定的時間再返回，如果超時還沒消費元素，則返回false，如果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。所謂雙向隊列指的是可以從隊列的兩端插入和移出元素。雙向隊列因為多了一個操作隊列的入口，在多線程同時入隊時，也就減少了一半的競爭。相比其他的阻塞隊列，LinkedBlockingDeque多了addFirst、addLast、offerFirst、offerLast、peekFirst和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。但是take方法卻等同於takeFirst，不知道是不是JDK的bug，使用時還是用帶有First和Last後綴的方法更清楚。

在初始化LinkedBlockingDeque時可以設置容量防止其過度膨脹。另外，雙向阻塞隊列可以運用在“工作竊取”模式中。

阻塞隊列的實現原理

如果隊列是空的，消費者會一直等待，當生產者添加元素時，消費者是如何知道當前隊列有元素的呢？如果讓你來設計阻塞隊列你會如何設計，如何讓生產者和消費者進行高效的通信呢？讓我們先來看看JDK是如何實現的。

1. 使用通知模式
   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。通過查看JDK源碼發現ArrayBlockingQueue使用了Condition來實現，代碼如下：

public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
  // 省略部分代碼片段
    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)
            // 看這裏
            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();
    }
}

當往隊列裏插入一個元素時，如果隊列不可用，那麽阻塞生產者主要通過
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);
        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);
}

Java 阻塞隊列