JAVA中怎么利用阻塞队列实现一个并发容器

今天就跟大家聊聊有关JAVA中怎么利用阻塞队列实现一个并发容器，可能很多人都不太了解，为了让大家更加了解，小编给大家总结了以下内容，希望大家根据这篇文章可以有所收获。

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在并发编程中，有时候需要使用线程安全的队列。如果要实现一个线程安全的队列有两种方式：一种是使用阻塞算法，另一种是使用非阻塞算法。使用阻塞算法的队列可以用一个锁（入队和出队用同一把锁）或两个锁（入队和出队用不同的锁）等方式来实现。非阻塞的实现方式则可以使用循环CAS的方式来实现。

阻塞队列

阻塞队列（BlockingQueue）是一个支持两个附加操作的队列。这两个附加的操作支持阻塞的插入和移除方法。

支持阻塞的插入方法：意思是当队列满时，队列会阻塞插入元素的线程，直到队列不满。
支持阻塞的移除方法：意思是在队列为空时，获取元素的线程会等待队列变为非空。

应用场景

阻塞队列常用于生产者和消费者的场景，生产者是向队列里添加元素的线程，消费者是从队列里取元素的线程。阻塞队列就是生产者用来存放元素、消费者用来获取元素的容器。

插入和移除操作的4中处理方式

JAVA中怎么利用阻塞队列实现一个并发容器

抛出异常：当队列满时，如果再往队列里插入元素，会抛出IllegalStateException（"Queue full"）异常。当队列空时，从队列里获取元素会抛出NoSuchElementException异常。
返回特殊值：当往队列插入元素时，会返回元素是否插入成功，成功返回true。如果是移除方法，则是从队列里取出一个元素，如果没有则返回null。
一直阻塞：当阻塞队列满时，如果生产者线程往队列里put元素，队列会一直阻塞生产者线程，直到队列可用或者响应中断退出。当队列空时，如果消费者线程从队列里take元素，队列会阻塞消费者线程，直到队列不为空。
超时退出：当阻塞队列满时，如果生产者线程往队列里插入元素，队列会阻塞生产者线程一段时间，如果超过了指定的时间，生产者线程就会退出。

注意：如果是无界阻塞队列，队列不可能会出现满的情况，所以使用put或offer方法永远不会被阻塞，而且使用offer方法时，该方法永远返回true。

Java里的阻塞队列

ArrayBlockingQueue：一个由数组结构组成的有界阻塞队列。
LinkedBlockingQueue：一个由链表结构组成的有界阻塞队列。
PriorityBlockingQueue：一个支持优先级排序的无界阻塞队列。
DelayQueue：一个使用优先级队列实现的无界阻塞队列。
SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列。
LinkedTransferQueue：一个由链表结构组成的无界阻塞队列。
LinkedBlockingDeque：一个由链表结构组成的双向阻塞队列。

ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue是一个用数组实现的有界阻塞队列，在初始化时需要指定队列的长度。此队列按照先进先出（FIFO）的原则对元素进行排序。默认情况下不保证线程公平的访问队列，但是在初始化的队列的时候指定阻塞队列的公平性，如:ArrayBlockingQueue fairQueue = new ArrayBlockingQueue(1000,true);。它使用ReentrantLock来实现队列的线程安全。

核心属性

    /** The queued items */
    final Object[] items;

    /** items index for next take, poll, peek or remove */
    int takeIndex;

    /** items index for next put, offer, or add */
    int putIndex;

    /** Number of elements in the queue */
    int count;

    /** Main lock guarding all access */
    final ReentrantLock lock;

    /** Condition for waiting takes */
    private final Condition notEmpty;

    /** Condition for waiting puts */
    private final Condition notFull;

核心方法

    public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException {

        checkNotNull(e);
        long nanos = unit.toNanos(timeout);
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == items.length) {
                if (nanos <= 0)
                    return false;
                nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
            }
            enqueue(e);
            return true;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    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();
    }

    public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        long nanos = unit.toNanos(timeout);
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == 0) {
                if (nanos <= 0)
                    return null;
                nanos = notEmpty.awaitNanos(nanos);
            }
            return dequeue();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    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;
    }

LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue是一个用链表实现的有界阻塞队列。此队列的默认和最大长度为 Integer.MAX_VALUE。此队列按照先进先出的原则对元素进行排序。出队和入队使用两把锁来实现。

核心属性

    /** The capacity bound, or Integer.MAX_VALUE if none */
    private final int capacity;

    /** Current number of elements */
    private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();

    /**
     * Head of linked list.
     * Invariant: head.item == null
     */
    transient Node head;

    /**
     * Tail of linked list.
     * Invariant: last.next == null
     */
    private transient Node last;

    /** 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();

PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是一个支持优先级的无界阻塞队列。默认情况下元素采取自然顺序升序排列。也可以自定义类实现compareTo()方法来指定元素排序规则，或者初始化 PriorityBlockingQueue时，指定构造参数Comparator来对元素进行排序。需要注意的是不能保证同优先级元素的顺序。底层使用数组实现，默认初始容量是11，最大值是Integer.MAX_VALUE - 8。容量不够时会进行扩容

核心方法

    // 入队
    private static  void siftUpComparable(int k, T x, Object[] array) {
        Comparable key = (Comparable) x;
        while (k > 0) {
            int parent = (k - 1) >>> 1;
            Object e = array[parent];
            if (key.compareTo((T) e) >= 0)
                break;
            array[k] = e;
            k = parent;
        }
        array[k] = key;
    }
    // 扩容
    private void tryGrow(Object[] array, int oldCap) {
        lock.unlock(); // must release and then re-acquire main lock
        Object[] newArray = null;
        if (allocationSpinLock == 0 &&
            UNSAFE.compareAndSwapInt(this, allocationSpinLockOffset,
                                     0, 1)) {
            try {
                int newCap = oldCap + ((oldCap < 64) ?
                                       (oldCap + 2) : // grow faster if small
                                       (oldCap >> 1));
                if (newCap - MAX_ARRAY_SIZE > 0) {    // possible overflow
                    int minCap = oldCap + 1;
                    if (minCap < 0 || minCap > MAX_ARRAY_SIZE)
                        throw new OutOfMemoryError();
                    newCap = MAX_ARRAY_SIZE;
                }
                if (newCap > oldCap && queue == array)
                    newArray = new Object[newCap];
            } finally {
                allocationSpinLock = 0;
            }
        }
        if (newArray == null) // back off if another thread is allocating
            Thread.yield();
        lock.lock();
        if (newArray != null && queue == array) {
            queue = newArray;
            System.arraycopy(array, 0, newArray, 0, oldCap);
        }
    }

DelayQueue

DelayQueue是一个支持延时获取元素的无界阻塞队列。队列使用PriorityQueue来实现。队列中的元素必须实现Delayed接口和Comparable接口，在创建元素时可以指定多久才能从队列中获取当前元素。只有在延迟期满时才能从队列中提取元素。

应用场景

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。
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，比如TimerQueue就是使用DelayQueue实现的。

如何实现Delayed接口

DelayQueue队列的元素必须实现Delayed接口。我们可以参考ScheduledThreadPoolExecutor 里ScheduledFutureTask类的实现，一共有三步。第一步：在对象创建的时候，初始化基本数据。使用time记录当前对象延迟到什么时候可以使用，使用sequenceNumber来标识元素在队列中的先后顺序。代码如下：

private static final AtomicLong sequencer = new AtomicLong(0);

ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns, long period) {
    ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns, long period){
        super(r, result);
        this.time = ns;
        this.period = period;
        this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement();
    }
}

第二步：实现getDelay方法，该方法返回当前元素还需要延时多长时间，单位是纳秒，代码如下:

public long getDelay(TimeUnit unit) {
    return unit.convert(time - now(), NANOSECONDS);
}

注意当time小于当前时间时，getDelay会返回负数，这时才可以出队。

第三步：实现compareTo方法来指定元素的顺序。例如，让延时时间最长的放在队列的末尾。实现代码如下：

public int compareTo(Delayed other) {
    if (other == this) // compare zero if same object
        return 0;
    if (other instanceof ScheduledThreadPoolExecutor.ScheduledFutureTask) {
        ScheduledThreadPoolExecutor.ScheduledFutureTask x = (ScheduledThreadPoolExecutor.ScheduledFutureTask)other;
        // 过期时间小的排前面，大的排后面，如果一样就使用sequenceNumber 来排序。
        long diff = time - x.time;
        if (diff < 0)
            return -1;
        else if (diff > 0)
            return 1;
        else if (sequenceNumber < x.sequenceNumber)
            return -1;
        else
            return 1;
    }
    // 快要过期的排在前面
    long diff = getDelay(NANOSECONDS) - other.getDelay(NANOSECONDS);
    return (diff < 0) ? -1 : (diff > 0) ? 1 : 0;
}

如何实现延时阻塞队列

延时阻塞队列的实现很简单，当消费者从队列里获取元素时，如果元素没有达到延时时间，就阻塞当前线程。

public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
    long nanos = unit.toNanos(timeout);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        for (;;) {
            E first = q.peek();
            if (first == null) {
                if (nanos <= 0)
                    return null;
                else
                    // 队列为NULL，阻塞线程直到超时
                    nanos = available.awaitNanos(nanos);
            } else {
                long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
                if (delay <= 0)
                    return q.poll();
                if (nanos <= 0)
                    return null;
                first = null; // don't retain ref while waiting
                // 等待时间小于第一个元素的过期时间
                if (nanos < delay || leader != null)
                    // 阻塞线程直到超时
                    nanos = available.awaitNanos(nanos);
                else {
                    Thread thisThread = Thread.currentThread();
                    leader = thisThread;
                    try {
                        // 等待时间大于第一个元素的过期时间，阻塞线程直到第一个元素过期
                        long timeLeft = available.awaitNanos(delay);
                        nanos -= delay - timeLeft;
                    } finally {
                        if (leader == thisThread)
                            leader = null;
                    }
                }
            }
        }
    } finally {
        if (leader == null && q.peek() != null)
            // 唤醒其他阻塞线程
            available.signal();
        lock.unlock();
    }
}

SynchronousQueue

SynchronousQueue是一个不存储元素的阻塞队列。每一个put操作必须等待一个take操作，否则不能继续添加元素。它支持公平访问队列。默认情况下线程采用非公平性策略访问队列。

SynchronousQueue可以看成是一个传球手，负责把生产者线程处理的数据直接传递给消费者线程。队列本身并不存储任何元素，非常适合传递性场景。SynchronousQueue的吞吐量高于 LinkedBlockingQueue和ArrayBlockingQueue。

LinkedTransferQueue

LinkedTransferQueue是一个由链表结构组成的无界阻塞TransferQueue队列。相对于其他阻塞队列，LinkedTransferQueue多了tryTransfer和transfer方法。

transfer方法

如果当前有消费者正在等待接收元素（消费者使用take()方法或带时间限制的poll()方法时），transfer方法可以把生产者传入的元素立刻transfer（传输）给消费者。如果没有消费者在等待接收元素，transfer方法会将元素存放在队列的tail节点，并等到该元素被消费者消费了才返回。

LinkedBlockingDeque

LinkedBlockingDeque是一个由链表结构组成的双向阻塞队列。所谓双向队列指的是可以从队列的两端插入和移出元素。双向队列因为多了一个操作队列的入口，在多线程同时入队时，也就减少了一半的竞争。相比其他的阻塞队列，LinkedBlockingDeque多了addFirst、 addLast、offerFirst、offerLast、peekFirst和peekLast等方法，以First单词结尾的方法，表示插入、获取（peek）或移除双端队列的第一个元素。以Last单词结尾的方法，表示插入、获取或移除双端队列的最后一个元素。另外，插入方法add等同于addLast，移除方法remove等效于 removeFirst。但是take方法却等同于takeFirst，不知道是不是JDK的bug，使用时还是用带有First 和Last后缀的方法更清楚。

在初始化LinkedBlockingDeque时可以设置容量防止其过度膨胀。另外，双向阻塞队列可以运用在“工作窃取”模式中。

看完上述内容，你们对JAVA中怎么利用阻塞队列实现一个并发容器有进一步的了解吗？如果还想了解更多知识或者相关内容，请关注创新互联行业资讯频道，感谢大家的支持。

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阻塞队列

应用场景

插入和移除操作的4中处理方式

Java里的阻塞队列

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核心方法

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