BlockingQueue-阿里云开发者社区

在新增的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。

认识BlockingQueue
阻塞队列，顾名思义，首先它是一个队列，而一个队列在数据结构中所起的作用大致如下图所示：

从上图我们可以很清楚看到，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；
常用的队列主要有以下两种：（当然通过不同的实现方式，还可以延伸出很多不同类型的队列，DelayQueue就是其中的一种）
　　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。

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。然而，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。好在此时，强大的concurrent包横空出世了，而他也给我们带来了强大的BlockingQueue。（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醒）
下面两幅图演示了BlockingQueue的两个常见阻塞场景：
　　　　　　　如上图所示：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。

　　　如上图所示：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。
这也是我们在多线程环境下，为什么需要BlockingQueue的原因。作为BlockingQueue的使用者，我们再也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。既然BlockingQueue如此神通广大，让我们一起来见识下它的常用方法：
BlockingQueue的核心方法：
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.
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。

常见BlockingQueue
在了解了BlockingQueue的基本功能后，让我们来看看BlockingQueue家庭大致有哪些成员？

BlockingQueue成员详细介绍
1. ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue是对BlockingQueue的一个数组实现，它使用一把全局的锁并行对queue的读写操作，同时使用两个Condition阻塞容量为空时的取操作和容量满时的写操作,是一个典型的有界缓存区，固定大小的数组在其保持生产者插入的元素和使用者提取的元素。

二、具体实现
ArrayBlockingQueue底层定义如下：

Java代码
public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
        implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {

    // 使用循环数组来实现queue，初始时takeIndex和putIndex均为0
    private final E[] items;
    private transient int takeIndex;
    private transient int putIndex;
    private int count;

    // 用于并发的锁和条件
   private final ReentrantLock lock;
    private final Condition notEmpty;
    private final Condition notFull;


    final int inc(int i) {
        return (++i == items.length)? 0 : i;
    }

    public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
        if (capacity <= 0)
            throw new IllegalArgumentException();
        this.items = (E[]) new Object[capacity];
        // 分配锁及该锁上的condition
        lock = new ReentrantLock(fair);
        notEmpty = lock.newCondition();
        notFull =  lock.newCondition();
    }

  ...
}
   ArrayBlockingQueue的取操作：

Java代码
public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
        implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {

    private E extract() {
        final E[] items = this.items;
        E x = items[takeIndex];
        items[takeIndex] = null;
        takeIndex = inc(takeIndex);
        --count;
       // 激发notFull条件
        notFull.signal();
        return x;
    }


    public E take() throws InterruptedException {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            try {
                  // 等待notEmpty的条件
                while (count == 0)
                    notEmpty.await();
            } catch (InterruptedException ie) {
                notEmpty.signal(); // propagate to non-interrupted thread
                throw ie;
            }
            E x = extract();
            return x;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

  ...
}
   ArrayBlockingQueue的写操作：

Java代码
public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
        implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {

    private void insert(E x) {
        items[putIndex] = x;
        putIndex = inc(putIndex);
        ++count;
        notEmpty.signal();
    }

    public void put(E o) throws InterruptedException {
        if (o == null) throw new NullPointerException();
        final E[] items = this.items;
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            try {
                  // 等待notFull条件
           while (count == items.length)
                    notFull.await();
            } catch (InterruptedException ie) {
                notFull.signal(); // propagate to non-interrupted thread
                throw ie;
            }
            insert(o);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

  ...
}
    注意：ArrayBlockingQueue在读写操作上都需要锁住整个容器，因此吞吐量与一般的实现是相似的，适合于实现“生产者消费者”模式。

LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue实现是线程安全的，实现了FIFO（先进先出）等特性. 是作为生产者消费者的首选，LinkedBlockingQueue 可以指定容量，也可以不指定，不指定的话，默认最大是Integer.MAX_VALUE，其中主要用到put和take方法，put方法在队列满的时候会阻塞直到有队列成员被消费，take方

法在队列空的时候会阻塞，直到有队列成员被放进来。

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
public class MyBlockingQueue extends Thread{
public static BlockingQueue<String> queue=new LinkedBlockingQueue<String>(3);
private int index;
public MyBlockingQueue(int i){
this.index=i;
}
public void run(){
try{
queue.put(String.valueOf(this.index));
System.out.println("put {"+this.index+"} into queue!");
}catch(Exception e){
e.printStackTrace();
}
}
public static void main(String args[]){
ExecutorService service=Executors.newCachedThreadPool();
for( int i=0; i<10; i++){
service.submit(new MyBlockingQueue(i));
}
Thread thread = new Thread(){
public void run(){
try{
while(true){
Thread.sleep((int)(Math.random()*1000));
if(MyBlockingQueue.queue.isEmpty()) break;
String str=MyBlockingQueue.queue.take();
System.out.println("take {" + str+"} out of queue!");
}
}catch(Exception e){
e.printStackTrace();
}
}
};
service.submit(thread);
service.shutdown();
}
}

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。
使用场景：
　　DelayQueue使用场景较少，但都相当巧妙，常见的例子比如使用一个DelayQueue来管理一个超时未响应的连接队列。

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。

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