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并发容器之 BlockingQueue

BraumAce2024年10月30日并发编程JUC约 2212 字大约 7 分钟

并发容器之 BlockingQueue

1. BlockingQueue 简介

在实际编程中，会经常使用到 JDK 中 Collection 集合框架中的各种容器类如实现 List，Map，Queue 接口的容器类，但是这些容器类基本上不是线程安全的，除了使用 Collections 可以将其转换为线程安全的容器，Doug LeaDoug \ Lea 大师为我们都准备了对应的线程安全的容器，如实现 List 接口的 CopyOnWriteArrayList，实现 Map 接口的 ConcurrentHashMap，实现 Queue 接口的 ConcurrentLinkedQueue。

最常用的 “生产者-消费者” 问题中，队列通常被视作线程间操作的数据容器，这样就可以对各个模块的业务功能进行解耦，生产者将 “生产” 出来的数据放置在数据容器中，而消费者仅仅只需要在 “数据容器” 中进行获取数据即可，这样生产者线程和消费者线程就能够进行解耦，只专注于自己的业务功能即可。

阻塞队列（BlockingQueue）被广泛使用在 “生产者-消费者” 问题中，其原因是 BlockingQueue 提供了可阻塞的插入和移除的方法。当队列容器已满，生产者线程会被阻塞，直到队列未满；当队列容器为空时，消费者线程会被阻塞，直至队列非空时为止。

2. 基本操作

BlockingQueue 基本操作总结如下（此图来源于 JAVA API 文档）：

BlockingQueue 基本操作
BlockingQueue 基本操作

BlockingQueue 继承于 Queue 接口，因此，对数据元素的基本操作有：

  1. 插入元素

    add(E e)：往队列插入数据，当队列满时，插入元素时会抛出 IllegalStateException 异常。

    offer(E e)：当往队列插入数据时，插入成功返回 truetrue，否则则返回 falsefalse。当队列满时不会抛出异常。

  2. 删除元素

    remove(Object o)：从队列中删除数据，成功则返回 truetrue，否则为 falsefalse。

    poll()：删除数据，当队列为空时，返回 null。

  3. 查看元素

    element()：获取队头元素，如果队列为空时则抛出 NoSuchElementException 异常。

    peek()：获取队头元素，如果队列为空则抛出 NoSuchElementException 异常。

BlockingQueue 具有的特殊操作：

  1. 插入数据

    put(E e)：当阻塞队列容量已经满时，往阻塞队列插入数据的线程会被阻塞，直至阻塞队列已经有空余的容量可供使用。

    offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)：若阻塞队列已经满时，同样会阻塞插入数据的线程，直至阻塞队列已经有空余的地方，与 put 方法不同的是，该方法会有一个超时时间，若超过当前给定的超时时间，插入数据的线程会退出。

  2. 删除数据

    take()：当阻塞队列为空时，获取队头数据的线程会被阻塞。

    poll(long timeout, TimeUnit unit)：当阻塞队列为空时，获取数据的线程会被阻塞，另外，如果被阻塞的线程超过了给定的时长，该线程会退出。

3. 常用的 BlockingQueue

实现 BlockingQueue 接口的有 ArrayBlockingQueue，DelayQueue，LinkedBlockingDeque，LinkedBlockingQueue，LinkedTransferQueue，PriorityBlockingQueue，SynchronousQueue。而这几种常见的阻塞队列也是在实际编程中会常用的，下面对这几种常见的阻塞队列进行说明：

  1. ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue 是由数组实现的有界阻塞队列。该队列命令元素 FIFO（先进先出）。因此，队头元素是队列中存在时间最长的数据元素，而队尾数据则是当前队列最新的数据元素。

ArrayBlockingQueue 可作为 “有界数据缓冲区”，生产者插入数据到队列容器中，并由消费者提取。

ArrayBlockingQueue 一旦创建，容量不能改变。

当队列容量满时，尝试将元素放入队列将导致操作阻塞；尝试从一个空队列中取一个元素也会同样阻塞。

ArrayBlockingQueue 默认情况下不能保证线程访问队列的公平性，所谓公平性是指严格按照线程等待的绝对时间顺序，即最先等待的线程能够最先访问到 ArrayBlockingQueue。而非公平性则是指访问 ArrayBlockingQueue 的顺序不是遵守严格的时间顺序，有可能存在，一旦 ArrayBlockingQueue 可以被访问时，长时间阻塞的线程依然无法访问到 ArrayBlockingQueue。如果保证公平性，通常会降低吞吐量。如果需要获得公平性的 ArrayBlockingQueue，可采用如下代码：

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

关于 ArrayBlockingQueue 的实现原理，在下一篇文章。

  1. LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue 是用链表实现的有界阻塞队列，同样满足 FIFO 的特性，与 ArrayBlockingQueue 相比起来具有更高的吞吐量。

为了防止 LinkedBlockingQueue 容量迅速增，损耗大量内存，通常在创建 LinkedBlockingQueue 对象时，会指定其大小，如果未指定，容量等于 Integer.MAX_VALUE。

  1. PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue 是一个支持优先级的无界阻塞队列。

默认情况下元素采用自然顺序进行排序，也可以通过自定义类实现 compareTo() 方法来指定元素排序规则，或者初始化时通过构造器参数 Comparator 来指定排序规则。

  1. SynchronousQueue

SynchronousQueue 每个插入操作必须等待另一个线程进行相应的删除操作，因此，SynchronousQueue 实际上没有存储任何数据元素，因为只有线程在删除数据时，其他线程才能插入数据，同样的，如果当前有线程在插入数据时，线程才能删除数据。

SynchronousQueue 也可以通过构造器参数来为其指定公平性。

  1. LinkedTransferQueue

LinkedTransferQueue 是一个由链表数据结构构成的无界阻塞队列，由于该队列实现了 TransferQueue 接口，与其他阻塞队列相比主要有以下不同的方法：

transfer(E e)：如果当前有线程（消费者）正在调用 take() 方法或者可延时的 poll() 方法在消费数据，生产者线程可以调用 transfer 方法将数据传递给消费者线程。如果当前没有消费者线程，生产者线程就会将数据插入到队尾，直到有消费者能够进行消费才能退出。

tryTransfer(E e)：如果当前有线程（消费者）正在调用 take() 方法或者具有超时特性的 poll() 方法在消费数据，该方法可以将数据立即传送给消费者线程，如果当前没有消费者线程消费数据，就立即返回 falsefalse。

因此，与 transfer 方法相比，transfer 方法是必须等到有消费者线程消费数据时，生产者线程才能够返回。而 tryTransfer 方法能够立即返回结果退出。

tryTransfer(E e,long timeout,imeUnit unit)：与 transfer 基本功能一样，只是增加了超时特性，如果数据在规定的超时时间内没有消费者进行消费的话，就返回 falsefalse。

  1. LinkedBlockingDeque

LinkedBlockingDeque 是基于链表数据结构的有界阻塞双端队列，如果在创建对象时未指定大小，其默认大小为 Integer.MAX_VALUE。

与 LinkedBlockingQueue 相比，主要的不同点在于 LinkedBlockingDeque 具有双端队列的特性。

LinkedBlockingDeque 基本操作如下图所示（来源于 Java 文档）

LinkedBlockingDeque 的基本操作
LinkedBlockingDeque 的基本操作

如上图所示，LinkedBlockingDeque 的基本操作可以分为四种类型：

  1. 特殊情况，抛出异常；
  2. 特殊情况，返回特殊值，如 null 或者 falsefalse；
  3. 当线程不满足操作条件时，线程会被阻塞直至条件满足；
  4. 操作具有超时特性。

另外，LinkedBlockingDeque 实现了 BlockingDueue 接口而 LinkedBlockingQueue 实现的是 BlockingQueue，这两个接口的主要区别如下图所示（来源于 Java 文档）：

BlockingQueue 和 BlockingDeque 的区别
BlockingQueue 和 BlockingDeque 的区别

从上图可以看出，两个接口的功能是可以等价使用的，比如 BlockingQueue 的 add 方法和 BlockingDeque 的 addLast 方法的功能是一样的。

  1. DelayQueue

DelayQueue 是一个存放实现 Delayed 接口的数据的无界阻塞队列，只有当数据对象的延时时间达到时才能插入到队列进行存储。

如果当前所有的数据都还没有达到创建时所指定的延时期，则队列没有队头，并且线程通过 poll 等方法获取数据元素会返回 null。

所谓数据延时期满，是通过 Delayed 接口的 getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) 来进行判定，如果该方法返回的是小于等于 00 则说明该数据元素的延时期已满。

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