Java多线程之阻塞队列

几种主要的阻塞队列

自从Java 1.5之后，在java.util.concurrent包下提供了若干个阻塞队列，主要有以下几个：

　　ArrayBlockingQueue：基于数组实现的一个阻塞队列，在创建ArrayBlockingQueue对象时必须制定容量大小。并且可以指定公平性与非公平性，默认情况下为非公平的，即不保证等待时间最长的队列最优先能够访问队列。

　　LinkedBlockingQueue：基于链表实现的一个阻塞队列，在创建LinkedBlockingQueue对象时如果不指定容量大小，则默认大小为Integer.MAX_VALUE。

　　PriorityBlockingQueue：以上2种队列都是先进先出队列，而PriorityBlockingQueue却不是，它会按照元素的优先级对元素进行排序，按照优先级顺序出队，每次出队的元素都是优先级最高的元素。注意，此阻塞队列为无界阻塞队列，即容量没有上限（通过源码就可以知道，它没有容器满的信号标志），前面2种都是有界队列。

　　DelayQueue：基于PriorityQueue，一种延时阻塞队列，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也是一个无界队列，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。

阻塞队列中的方法 VS 非阻塞队列中的方法

1.非阻塞队列中的几个主要方法：

　　add(E e):将元素e插入到队列末尾，如果插入成功，则返回true；如果插入失败（即队列已满），则会抛出异常；

　　remove()：移除队首元素，若移除成功，则返回true；如果移除失败（队列为空），则会抛出异常；

　　offer(E e)：将元素e插入到队列末尾，如果插入成功，则返回true；如果插入失败（即队列已满），则返回false；

　　poll()：移除并获取队首元素，若成功，则返回队首元素；否则返回null；

　　peek()：获取队首元素，若成功，则返回队首元素；否则返回null

　　对于非阻塞队列，一般情况下建议使用offer、poll和peek三个方法，不建议使用add和remove方法。因为使用offer、poll和peek三个方法可以通过返回值判断操作成功与否，而使用add和remove方法却不能达到这样的效果。注意，非阻塞队列中的方法都没有进行同步措施。

2.阻塞队列中的几个主要方法：

　　阻塞队列包括了非阻塞队列中的大部分方法，上面列举的5个方法在阻塞队列中都存在，但是要注意这5个方法在阻塞队列中都进行了同步措施。除此之外，阻塞队列提供了另外4个非常有用的方法：

　　put(E e)

　　take()

　　offer(E e,long timeout, TimeUnit unit)

　　poll(long timeout, TimeUnit unit)

　　put方法用来向队尾存入元素，如果队列满，则等待；

　　take方法用来从队首取元素，如果队列为空，则等待；

　　offer方法用来向队尾存入元素，如果队列满，则等待一定的时间，当时间期限达到时，如果还没有插入成功，则返回false；否则返回true；

　　poll方法用来从队首取元素，如果队列空，则等待一定的时间，当时间期限达到时，如果取到，则返回null；否则返回取得的元素；

阻塞队列的实现原理

前面谈到了非阻塞队列和阻塞队列中常用的方法，下面来探讨阻塞队列的实现原理，本文以ArrayBlockingQueue为例，其他阻塞队列实现原理可能和ArrayBlockingQueue有一些差别，但是大体思路应该类似，有兴趣的朋友可自行查看其他阻塞队列的实现源码。首先看一下ArrayBlockingQueue类中的几个成员变量：

public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
 
private static final long serialVersionUID = -817911632652898426L;
 
/** The queued items  */
private final E[] items;
/** items index for next take, poll or remove */
private int takeIndex;
/** items index for next put, offer, or add. */
private int putIndex;
/** Number of items in the queue */
private int count;
 
/*
* Concurrency control uses the classic two-condition algorithm
* found in any textbook.
*/
 
/** Main lock guarding all access */
private final ReentrantLock lock;
/** Condition for waiting takes */
private final Condition notEmpty;
/** Condition for waiting puts */
private final Condition notFull;
}

可以看出，ArrayBlockingQueue中用来存储元素的实际上是一个数组，takeIndex和putIndex分别表示队首元素和队尾元素的下标，count表示队列中元素的个数。

　　lock是一个可重入锁，notEmpty和notFull是等待条件。

　　下面看一下ArrayBlockingQueue的构造器，构造器有三个重载版本：

public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
}
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
 
}
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair,
                      Collection<? extends E> c) {
}

第一个构造器只有一个参数用来指定容量，第二个构造器可以指定容量和公平性，第三个构造器可以指定容量、公平性以及用另外一个集合进行初始化。

然后看它的两个关键方法的实现：put()和take()：

public void put(E e) throws InterruptedException {
if (e == null) throw new NullPointerException();
final E[] items = this.items;
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
    try {
        while (count == items.length)
            notFull.await();
    } catch (InterruptedException ie) {
        notFull.signal(); // propagate to non-interrupted thread
        throw ie;
    }
    insert(e);
} finally {
    lock.unlock();
}
} 　　 从put方法的实现可以看出，它先获取了锁，并且获取的是可中断锁，然后判断当前元素个数是否等于数组的长度，如果相等，则调用notFull.await()进行等待，如果捕获到中断异常，则唤醒线程并抛出异常。

　　当被其他线程唤醒时，通过insert(e)方法插入元素，最后解锁。

我们看一下insert方法的实现：

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

它是一个private方法，插入成功后，通过notEmpty唤醒正在等待取元素的线程。

下面是take()方法的实现：

public E take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
    try {
        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();
}
}

跟put方法实现很类似，只不过put方法等待的是notFull信号，而take方法等待的是notEmpty信号。在take方法中，如果可以取元素，则通过extract方法取得元素，下面是extract方法的实现：

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

跟insert方法也很类似。

　　其实从这里大家应该明白了阻塞队列的实现原理，事实它和我们用Object.wait()、Object.notify()和非阻塞队列实现生产者-消费者的思路类似，只不过它把这些工作一起集成到了阻塞队列中实现。

示例和使用场景

下面先使用Object.wait()和Object.notify()、非阻塞队列实现生产者-消费者模式:

 public class Test {
private int queueSize = 10;
private PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<Integer>(queueSize);
 
public static void main(String[] args)  {
    Test test = new Test();
    Producer producer = test.new Producer();
    Consumer consumer = test.new Consumer();
     
    producer.start();
    consumer.start();
}
 
class Consumer extends Thread{
     
    @Override
    public void run() {
        consume();
    }
     
    private void consume() {
        while(true){
            synchronized (queue) {
                while(queue.size() == 0){
                    try {
                        System.out.println("队列空，等待数据");
                        queue.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                        queue.notify();
                    }
                }
                queue.poll();          //每次移走队首元素
                queue.notify();
                System.out.println("从队列取走一个元素，队列剩余"+queue.size()+"个元素");
            }
        }
    }
}
 
class Producer extends Thread{
     
    @Override
    public void run() {
        produce();
    }
     
    private void produce() {
        while(true){
            synchronized (queue) {
                while(queue.size() == queueSize){
                    try {
                        System.out.println("队列满，等待有空余空间");
                        queue.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                        queue.notify();
                    }
                }
                queue.offer(1);        //每次插入一个元素
                queue.notify();
                System.out.println("向队列取中插入一个元素，队列剩余空间："+(queueSize-queue.size()));
            }
        }
    }
}
}

这个是经典的生产者-消费者模式，通过阻塞队列和Object.wait()和Object.notify()实现，wait()和notify()主要用来实现线程间通信。

　　具体的线程间通信方式（wait和notify的使用）在后续问章中会讲述到。

下面是使用阻塞队列实现的生产者-消费者模式：

public class Test {
private int queueSize = 10;
private ArrayBlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<Integer>(queueSize);
 
public static void main(String[] args)  {
    Test test = new Test();
    Producer producer = test.new Producer();
    Consumer consumer = test.new Consumer();
     
    producer.start();
    consumer.start();
}
 
class Consumer extends Thread{
     
    @Override
    public void run() {
        consume();
    }
     
    private void consume() {
        while(true){
            try {
                queue.take();
                System.out.println("从队列取走一个元素，队列剩余"+queue.size()+"个元素");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}
 
class Producer extends Thread{
     
    @Override
    public void run() {
        produce();
    }
     
    private void produce() {
        while(true){
            try {
                queue.put(1);
                System.out.println("向队列取中插入一个元素，队列剩余空间："+(queueSize-queue.size()));
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}
}

有没有发现，使用阻塞队列代码要简单得多，不需要再单独考虑同步和线程间通信的问题。

　　在并发编程中，一般推荐使用阻塞队列，这样实现可以尽量地避免程序出现意外的错误。

　　阻塞队列使用最经典的场景就是socket客户端数据的读取和解析，读取数据的线程不断将数据放入队列，然后解析线程不断从队列取数据解析。还有其他类似的场景，只要符合生产者-消费者模型的都可以使用阻塞队列。

http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3932906.html

几种主要的阻塞队列

阻塞队列中的方法 VS 非阻塞队列中的方法

阻塞队列的实现原理

示例和使用场景

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