并发容器与框架——并发容器（二）

1.何为阻塞队列

    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。

1. 支持阻塞的插入方法：意思是当队列满（无界队列除外）时，队列会阻塞插入元素的线程，直到队列不满。
2. 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。

    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。阻塞队列对插入和移除两个附加操作提供了4种处理方式。

1. 抛出异常：当队列满时，如果再往队列里插入元素，会抛出IllegalStateException（"Queuefull"）异常。当队列空时，从队列里获取元素会抛出NoSuchElementException异常。
2. ·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。
3. ·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，队列会阻塞住消费者线程，直到队列不为空。
4. ·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。

2.阻塞队列

    2.1 分类

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

    2.2 七种阻塞队列使用详解

1. 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，所谓公平访问队列是指阻塞的线程，可以按照阻塞的先后顺序访问队列，即先阻塞线程先访问队列。非公平性是对先等待的线程是非公平的，当队列可用时，阻塞的线程都可以争夺访问队列的资格，有可能先阻塞的线程最后才访问队列。为了保证公平性，通常会降低吞吐量。访问者的公平性是使用可重入锁实现的。

   public class TestBlockingQueue { public static void main(String[] args) { int capacity=1000;//有界队列元素容量，必须>=1 ArrayBlockingQueue<String> arr1=new ArrayBlockingQueue<String>(capacity); ArrayBlockingQueue<String> arr2=new ArrayBlockingQueue<String>(capacity,true);//boolean值表示是否采用公平性原则 } }

    

2. 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。
3. 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。
4. 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（可以参考ScheduledThreadPoolExecutor 里ScheduledFutureTask类的实现），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。该阻塞队列非常有用，比如可以设计缓存系统，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；还可以做定时任务调度，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。
5. 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。使用以下构造方法可以创建公平性访问的SynchronousQueue，如果设置为true，则等待的线程会采用先进先出的顺序访问队列。可以将该队列理解为一个传球手，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。
6. 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。
   1. 使用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。
   2. tryTransfer方法：tryTransfer方法是用来试探生产者传入的元素是否能直接传给消费者。如果没有消费者等 待接收元素，则返回false。和transfer方法的区别tryTransfer方法无论消费者是否接收，方法 立即返回，而transfer方法是必须等到消费者消费了才返回。 对于带有时间限制的tryTransfer（E e，long timeout，TimeUnit unit）方法，试图把生产者传入 的元素直接传给消费者，但是如果没有消费者消费该元素则等待指定的时间再返回，如果超 时还没消费元素，则返回false，如果在超时时间内消费了元素，则返回true。
7. LinkedBlockingDeque：LinkedBlockingDeque是一个由链表结构组成的双向阻塞队列。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takeFirst

3.阻塞队列实现原理

    JDK通过通知模式实现。所谓通知模式，就是当生产者往满的队列里添加元素时会阻塞住生产者，当消费者消费了一个队列中的元素后，会通知生产者当前队列可用。通过查看JDK源码 发现ArrayBlockingQueue使用了Condition来实现。也就是通过await/signal来实现。

 final Object[] items; final ReentrantLock lock; private final Condition notEmpty; private final Condition notFull; int count; 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(); } } public E take() throws InterruptedException { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lockInterruptibly(); try { while (count == 0) notEmpty.await(); return dequeue(); } 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(); } 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; }