9 阻塞队列

9.1 BlockingQueue 简介

Concurrent 包中，BlockingQueue 很好的解决了多线程中，如何高效安全
“传输”数据的问题。通过这些高效并且线程安全的队列类，为我们快速搭建
高质量的多线程程序带来极大的便利。本文详细介绍了 BlockingQueue 家庭
中的所有成员，包括他们各自的功能以及常见使用场景。
阻塞队列，顾名思义，首先它是一个队列, 通过一个共享的队列，可以使得数据
由队列的一端输入，从另外一端输出；
当队列是空的，从队列中获取元素的操作将会被阻塞
当队列是满的，从队列中添加元素的操作将会被阻塞
试图从空的队列中获取元素的线程将会被阻塞，直到其他线程往空的队列插入新的元素
试图向已满的队列中添加新元素的线程将会被阻塞，直到其他线程从队列中移除一个或多
个元素或者完全清空，使队列变得空闲起来并后续新增
常用的队列主要有以下两种：
• 先进先出（FIFO）：先插入的队列的元素也最先出队列，类似于排队的功能。
从某种程度上来说这种队列也体现了一种公平性
• 后进先出（LIFO）：后插入队列的元素最先出队列，这种队列优先处理最近发
生的事件(栈)
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起

为什么需要 BlockingQueue

好处是我们不需要关心什么时候需要阻塞线程，什么时候需要唤醒线程，因为这一切
BlockingQueue 都给你一手包办了
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些细
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度。多线程环境中，通过队列可以很容易实现数据共享，比如经典的“生产者”和
“消费者”模型中，通过队列可以很便利地实现两者之间的数据共享。假设我
们有若干生产者线程，另外又有若干个消费者线程。如果生产者线程需要把准
备好的数据共享给消费者线程，利用队列的方式来传递数据，就可以很方便地
解决他们之间的数据共享问题。但如果生产者和消费者在某个时间段内，万一
发生数据处理速度不匹配的情况呢？理想情况下，如果生产者产出数据的速度
大于消费者消费的速度，并且当生产出来的数据累积到一定程度的时候，那么
生产者必须暂停等待一下（阻塞生产者线程），以便等待消费者线程把累积的
数据处理完毕，反之亦然。
• 当队列中没有数据的情况下，消费者端的所有线程都会被自动阻塞（挂起），
直到有数据放入队列
• 当队列中填满数据的情况下，生产者端的所有线程都会被自动阻塞（挂起），
直到队列中有空的位置，线程被自动唤醒

9.2 BlockingQueue 核心方法

BlockingQueue 的核心方法：

1.放入数据
• offer(anObject):表示如果可能的话,将 anObject 加到 BlockingQueue 里,即如果 BlockingQueue 可以容纳,则返回 true,否则返回 false.（本方法不阻塞当前执行方法的线程）
• offer(E o, long timeout, TimeUnit unit)：可以设定等待的时间，如果在指定的时间内，还不能往队列中加入 BlockingQueue，则返回失败
• put(anObject):把 anObject 加到 BlockingQueue 里,如果 BlockQueue 没有空间,则调用此方法的线程被阻断直到 BlockingQueue 里面有空间再继续.
2.获取数据
• poll(time): 取走 BlockingQueue 里排在首位的对象,若不能立即取出,则可以等time 参数规定的时间,取不到时返回 null
• poll(long timeout, TimeUnit unit)：从 BlockingQueue 取出一个队首的对象，如果在指定时间内，队列一旦有数据可取，则立即返回队列中的数据。否则知道时间超时还没有数据可取，返回失败。
• take(): 取走 BlockingQueue 里排在首位的对象,若 BlockingQueue 为空,阻断进入等待状态直到 BlockingQueue 有新的数据被加入;
• drainTo(): 一次性从 BlockingQueue 获取所有可用的数据对象（还可以指定获取数据的个数），通过该方法，可以提升获取数据效率；不需要多次分批加锁或释放锁。

9.3 入门案例

package com.xingchen.queue;
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
 * @author xing'chen
 */ //阻塞队列
public class BlockingQueueDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //创建阻塞队列
        BlockingQueue<String> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(3);
        //第一组
//        System.out.println(blockingQueue.add("a"));
////        System.out.println(blockingQueue.add("b"));
////        System.out.println(blockingQueue.add("c"));
////        //System.out.println(blockingQueue.element());
////
////        //System.out.println(blockingQueue.add("w"));
////        System.out.println(blockingQueue.remove());
////        System.out.println(blockingQueue.remove());
////        System.out.println(blockingQueue.remove());
////        System.out.println(blockingQueue.remove());
        //第二组
//        System.out.println(blockingQueue.offer("a"));
//        System.out.println(blockingQueue.offer("b"));
//        System.out.println(blockingQueue.offer("c"));
//        System.out.println(blockingQueue.offer("www"));
//
//        System.out.println(blockingQueue.poll());
//        System.out.println(blockingQueue.poll());
//        System.out.println(blockingQueue.poll());
//        System.out.println(blockingQueue.poll());
        //第三组
//        blockingQueue.put("a");
//        blockingQueue.put("b");
//        blockingQueue.put("c");
//        //blockingQueue.put("w");
//
//        System.out.println(blockingQueue.take());
//        System.out.println(blockingQueue.take());
//        System.out.println(blockingQueue.take());
//        System.out.println(blockingQueue.take());
        //第四组
        System.out.println(blockingQueue.offer("a"));
        System.out.println(blockingQueue.offer("b"));
        System.out.println(blockingQueue.offer("c"));
        System.out.println(blockingQueue.offer("w",3L, TimeUnit.SECONDS));
    }
}

9.4 常见的 BlockingQueue

9.4.1 ArrayBlockingQueue(常用)

基于数组的阻塞队列实现，在 ArrayBlockingQueue 内部，维护了一个定长数
组，以便缓存队列中的数据对象，这是一个常用的阻塞队列，除了一个定长数
组外，ArrayBlockingQueue 内部还保存着两个整形变量，分别标识着队列的
头部和尾部在数组中的位置。
ArrayBlockingQueue 在生产者放入数据和消费者获取数据，都是共用同一个
锁对象，由此也意味着两者无法真正并行运行，这点尤其不同于
LinkedBlockingQueue；按照实现原理来分析，ArrayBlockingQueue 完全可
以采用分离锁，从而实现生产者和消费者操作的完全并行运行。Doug Lea 之
所以没这样去做，也许是因为 ArrayBlockingQueue 的数据写入和获取操作已
经足够轻巧，以至于引入独立的锁机制，除了给代码带来额外的复杂性外，其
在性能上完全占不到任何便宜。 ArrayBlockingQueue 和
LinkedBlockingQueue 间还有一个明显的不同之处在于，前者在插入或删除
元素时不会产生或销毁任何额外的对象实例，而后者则会生成一个额外的
Node 对象。这在长时间内需要高效并发地处理大批量数据的系统中，其对于
GC 的影响还是存在一定的区别。而在创建 ArrayBlockingQueue 时，我们还
可以控制对象的内部锁是否采用公平锁，默认采用非公平锁。
一句话总结: 由数组结构组成的有界阻塞队列。

9.4.2 LinkedBlockingQueue(常用)

基于链表的阻塞队列，同 ArrayListBlockingQueue 类似，其内部也维持着一
个数据缓冲队列（该队列由一个链表构成），当生产者往队列中放入一个数据
时，队列会从生产者手中获取数据，并缓存在队列内部，而生产者立即返回；
只有当队列缓冲区达到最大值缓存容量时（LinkedBlockingQueue 可以通过
构造函数指定该值），才会阻塞生产者队列，直到消费者从队列中消费掉一份数据，生产者线程会被唤醒，反之对于消费者这端的处理也基于同样的原理。
而 LinkedBlockingQueue 之所以能够高效的处理并发数据，还因为其对于生
产者端和消费者端分别采用了独立的锁来控制数据同步，这也意味着在高并发
的情况下生产者和消费者可以并行地操作队列中的数据，以此来提高整个队列
的并发性能。
ArrayBlockingQueue 和 LinkedBlockingQueue 是两个最普通也是最常用
的阻塞队列，一般情况下，在处理多线程间的生产者消费者问题，使用这两个
类足以。
一句话总结: 由链表结构组成的有界（但大小默认值为integer.MAX_VALUE）阻塞队列。

9.4.3 DelayQueue

DelayQueue 中的元素只有当其指定的延迟时间到了，才能够从队列中获取到
该元素。DelayQueue 是一个没有大小限制的队列，因此往队列中插入数据的
操作（生产者）永远不会被阻塞，而只有获取数据的操作（消费者）才会被阻
塞。
一句话总结: 使用优先级队列实现的延迟无界阻塞队列。

9.4.4 PriorityBlockingQueue

基于优先级的阻塞队列（优先级的判断通过构造函数传入的 Compator 对象来
决定），但需要注意的是 PriorityBlockingQueue 并不会阻塞数据生产者，而
只会在没有可消费的数据时，阻塞数据的消费者。
因此使用的时候要特别注意，生产者生产数据的速度绝对不能快于消费者消费
数据的速度，否则时间一长，会最终耗尽所有的可用堆内存空间。
在实现 PriorityBlockingQueue 时，内部控制线程同步的锁采用的是公平锁。
一句话总结: 支持优先级排序的无界阻塞队列。

9.4.5 SynchronousQueue

一种无缓冲的等待队列，类似于无中介的直接交易，有点像原始社会中的生产
者和消费者，生产者拿着产品去集市销售给产品的最终消费者，而消费者必须
亲自去集市找到所要商品的直接生产者，如果一方没有找到合适的目标，那么
对不起，大家都在集市等待。相对于有缓冲的 BlockingQueue 来说，少了一
个中间经销商的环节（缓冲区），如果有经销商，生产者直接把产品批发给经
销商，而无需在意经销商最终会将这些产品卖给那些消费者，由于经销商可以
库存一部分商品，因此相对于直接交易模式，总体来说采用中间经销商的模式
会吞吐量高一些（可以批量买卖）；但另一方面，又因为经销商的引入，使得
产品从生产者到消费者中间增加了额外的交易环节，单个产品的及时响应性能
可能会降低。

声明一个 SynchronousQueue 有两种不同的方式，它们之间有着不太一样的
行为。

公平模式和非公平模式的区别:

• 公平模式：SynchronousQueue 会采用公平锁，并配合一个 FIFO 队列来阻塞多余的生产者和消费者，从而体系整体的公平策略；
• 非公平模式（SynchronousQueue 默认）：SynchronousQueue 采用非公平锁，同时配合一LIFO 队列来管理多余的生产者和消费者，而后一种模式，如果生产者和消费者的处理速度有差距，则很容易出现饥渴的情况，即可能有某些生产者或者是消费者的数据永远都得不到处理。
一句话总结: 不存储元素的阻塞队列，也即单个元素的队列。

9.4.6 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。
LinkedTransferQueue 采用一种预占模式。意思就是消费者线程取元素时，如
果队列不为空，则直接取走数据，若队列为空，那就生成一个节点（节点元素
为 null）入队，然后消费者线程被等待在这个节点上，后面生产者线程入队时
发现有一个元素为 null 的节点，生产者线程就不入队了，直接就将元素填充到该节点，并唤醒该节点等待的线程，被唤醒的消费者线程取走元素，从调用的
方法返回。
一句话总结: 由链表组成的无界阻塞队列。

9.4.7 LinkedBlockingDeque

LinkedBlockingDeque 是一个由链表结构组成的双向阻塞队列，即可以从队
列的两端插入和移除元素。
对于一些指定的操作，在插入或者获取队列元素时如果队列状态不允许该操作
可能会阻塞住该线程直到队列状态变更为允许操作，这里的阻塞一般有两种情
况
• 插入元素时: 如果当前队列已满将会进入阻塞状态，一直等到队列有空的位置时
再讲该元素插入，该操作可以通过设置超时参数，超时后返回 false 表示操作
失败，也可以不设置超时参数一直阻塞，中断后抛出 InterruptedException 异
常
• 读取元素时: 如果当前队列为空会阻塞住直到队列不为空然后返回元素，同样可
以通过设置超时参数
一句话总结: 由链表组成的双向阻塞队列

9.5 小结

1. 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起
2. 为什么需要 BlockingQueue?
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些细节，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度。使用后我们不需要关心什么时候需要
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