什么是阻塞队列

BlockingQueue阻塞队列,排队拥堵,首先它是一个队列,而一个阻塞队列在数据结构中所起到的作用大致如下午所示:

线程1往阻塞队列中添加元素，而线程2从阻塞队列中移除元素
当阻塞队列是空时，从队列中获取元素的操作将会被阻塞
当阻塞队列是满时，从队列中添加元素的操作将会被阻塞
也就是说 试图从空的阻塞队列中获取元素的线程将会被阻塞，直到其它线程往空的队列插入新的元素。
同理，试图往已经满的阻塞队列中添加新元素的线程，直到其它线程往满的队列中移除一个或多个元素，或者完全清空队列后，使队列重新变得空闲起来，并后续新增

为什么要有阻塞队列BlockingQueue

在多线程领域：所谓的阻塞，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唤醒
使用阻塞队列的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都帮你一手包办了
在concurrent包发布以前，在多线程环境下，我们每个程序员都必须自己取控制这些细节，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。
BlockingQueue阻塞队列是属于一个接口，底下有七个实现类

• ArrayBlockQueue：由数组结构组成的有界阻塞队列
• LinkedBlockingQueue：由链表结构组成的有界（但是默认大小 Integer.MAX_VALUE）的阻塞队列
  • 有界，但是界限非常大，相当于无界，可以当成无界
• PriorityBlockQueue：支持优先级排序的无界阻塞队列
• DelayQueue：使用优先级队列实现的延迟无界阻塞队列
• SynchronousQueue：不存储元素的阻塞队列，也即单个元素的队列
  • 生产一个，消费一个，不存储元素，不消费不生产
• LinkedTransferQueue：由链表结构组成的无界阻塞队列
• LinkedBlockingDeque：由链表结构组成的双向阻塞队列
  

阻塞队列引入

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。

在阻塞队列不可用时，这两个附加操作提供了4种处理方式

抛出异常：是指当阻塞队列满时候，再往队列里插入元素，会抛出 IllegalStateException(“Queue full”)** 异常**。当队列为空时，从队列里获取元素时会抛出 NoSuchElementException** 异常** 。

返回特殊值：插入方法会返回是否成功，成功则返回 true。移除方法，则是从队列里拿出一个元素，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，直到拿到数据，或者响应中断退出。当队列空时，消费者线程试图从队列里 take 元素，队列也会阻塞消费者线程，直到队列可用。

超时退出：当阻塞队列满时，队列会阻塞生产者线程一段时间，如果超过一定的时间，生产者线程就会退出。

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

阻塞队列

JDK7 提供了 7 个阻塞队列。分别是

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。此队列按照先进先出（FIFO）的原则对元素进行排序

• items：一个Object的数组
• tackIndex：出队列的下标
• putIndex：入队列的下标
• count：队列中元素的数量

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（FIFO）的原则对元素进行排序。默认情况下不保证访问者公平的访问队列，所谓公平访问队列是指阻塞的所有生产者线程或消费者线程，当队列可用时，可以按照阻塞的先后顺序访问队列，即先阻塞的生产者线程，可以先往队列里插入元素，先阻塞的消费者线程，可以先从队列里获取元素。通常情况下为了保证公平性会降低吞吐量。我们可以使用以下代码创建一个公平的阻塞队列

ArrayBlockingQueue fairQueue = new ArrayBlockingQueue(1000,true);

查看ArrayBlockingQueue 的构造函数

设置ReentrantLock的锁模式为公平锁

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

ArrayBlockingQueue 和LinkedBlockingQueue区别
1：底层实现不同
ArrayBlockingQueue 底层使用数组来维护队列，
LinkedBlockingQueue 底层使用链表来维护队列，在添加和删除队列中的元素的时候，会创建和销毁节点对象，在高并发和大量数据的时候，GC压力很大。
2：锁的方式不同
ArrayBlockingQueue 获取数据和添加数据都是使用同一个锁对象，这样添加和获取就不是一个并发的过程，不过，在ArrayBlockingQueue 中使用Condition的等待/通知机制，这样使得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
LinkedBlockingQueue 获取数据和添加数据使用不同的锁对象。

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。继承Comparable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。
例子 学生实体类存入PriorityBlockingQueue 队列按照年龄升序排序

package blockingqueue;

import java.util.Formattable;
import java.util.concurrent.PriorityBlockingQueue;

public class PriorityBlockingQueueTest {
    public static class Student implements Comparable<Student> {
        private String name;
        private int age;
        public Student(String name,int age){
            this.name = name;
            this.age = age;
        }
        public String getName(){
            return name;
        }

        public void setName(String name) {
            this.name = name;
        }

        public int getAge() {
            return age;
        }

        public void setAge(int age) {
            this.age = age;
        }

        @Override
        public int compareTo(Student o) {
            return this.age > o.getAge() ? 1 : this.age <o.getAge() ? -1 : 0;
        }

        @Override
        public String toString() {
            return "Student{" +
                    "name='" + name + '\'' +
                    ", age=" + age +
                    '}';
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        PriorityBlockingQueue<Student> queue = new PriorityBlockingQueue<Student>();
        queue.put(new Student("小A",18));
        queue.put(new Student("小B",17));
        queue.put(new Student("小C",19));
        queue.put(new Student("小D",20));

        while (true){
            System.out.println(queue.take().toString());
        }
    }
}

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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，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

DelayQueue非常有用，可以将DelayQueue运用在以下应用场景。

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

实现DelayQueue的三个步骤

第一步：继承Delayed接口

第二步：实现getDelay(TimeUnit unit)，该方法返回当前元素还需要延时多长时间，单位是纳秒

第三步：实现compareTo方法来指定元素的顺序

例子：使用Task类给定延迟时间，继承Delayed,并**重写getDelay()方法，然后重写compareTo()**方法来规定先到期的Task对象先出队列

package blockingqueue;

import java.util.concurrent.DelayQueue;
import java.util.concurrent.Delayed;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class DelayQueueTest {
    public static class Task implements Delayed {
        private long outTime;//延迟时间
        private long delayTime;//到期时间

        public Task(long outTime){
            this.outTime = outTime;
            //使用的时间刻度是纳秒级别
            delayTime = System.nanoTime() + TimeUnit.NANOSECONDS.convert(outTime,TimeUnit.SECONDS);
        }

        /**
         * 获取剩余的到期时间 当返回负数的时候代表过期
         * @param unit the time unit
         * @return
         */
        public long getDelay(TimeUnit unit){
            return unit.convert(this.delayTime -
                    System.nanoTime(),TimeUnit.NANOSECONDS);
        }

        /**
         * 对延迟时间排序
         * @param o the object to be compared.
         * @return
         */
        public int compareTo(Delayed o){
            if (o == this) return 0;
            if (o instanceof Task){
                Task task = (Task)o;
                return Long.compare(this.outTime, task.outTime);
            }
            long d = getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) - o.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS);
            return d > 0 ? 1 : d < 0 ? -1 : 0;
        }
        public void print(){
            System.out.println("task_"+outTime+"到期");
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final DelayQueue<Task> queue = new DelayQueue<Task>();
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0;i<11;i++){
                    Task task = new Task(i);
                    queue.put(task);
                }
            }
        },"Produce-Thread").start();
        Thread.sleep(1000);
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (;;){
                    Task task = null;
                    try {
                        task = queue.take();
                        task.print();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        },"Consume-Thread").start();
    }
}

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SychronousQueue

SychronousQueue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

public SynchronousQueue(boolean fair){
    transferer = fair ? new Transfer Queue<E>() : new TransferStack<E>();
}
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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

（1）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

（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方法的区别是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

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。

生产者与消费者模型

生产者消费者问题是线程模型中的经典问题：生产者和消费者在同一时间段内共用同一存储空间，生产者向空间里生产数据，而消费者取走数据。
阻塞队列就相当于一个缓冲区，平衡了生产者和消费者的处理能力。这个阻塞队列就是用来给生产者和消费者解耦的。

实现

通过 “循环队列” 的方式来实现.
使用 synchronized 进行加锁控制.
put 插入元素的时候, 判定如果队列满了, 就进行 wait. (注意, 要在循环中进行 wait. 被唤醒时不一
定队列就不满了, 因为同时可能是唤醒了多个线程).
take 取出元素的时候, 判定如果队列为空, 就进行 wait. (也是循环 wait)

package thread;

// 自己模拟实现一个阻塞队列.
// 基于数组的方式来实现队列.
// 提供两个核心方法:
// 1. put 入队列
// 2. take 出队列
class MyBlockingQueue {
    // 假定最大是 1000 个元素. 当然也可以设定成可配置的.
    private int[] items = new int[1000];
    // 队首的位置
    private int head = 0;
    // 队尾的位置
    private int tail = 0;
    // 队列的元素个数
    volatile private int size = 0;

    // 入队列
    public void put(int value) throws InterruptedException {
        synchronized (this) {
            while (size == items.length) {
                // 队列已满, 无法插入
                this.wait();
            }
            items[tail] = value;
            tail++;
            // 汤老湿个人还是更建议写这个版本.
            if (tail == items.length) {
                // 注意 如果 tail 达到数组末尾, 就需要从头开始~
                tail = 0;
            }
            // 下面这个写法绝对不是错!! 也是正确的写法. 大家去掌握当然也没毛病
            // tail = tail % items.length;
            size++;
            // 即使没人在等待, 多调用几次 notify 也没啥副作用~~
            this.notify();
        }
    }

    // 出队列
    public Integer take() throws InterruptedException {
        int ret = 0;
        synchronized (this) {
            while (size == 0) {
                // 队列为空, 就等待
                this.wait();
            }
            ret = items[head];
            head++;
            if (head == items.length) {
                head = 0;
            }
            size--;
            this.notify();
        }
        return ret;
    }
}

public class Demo21 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyBlockingQueue queue = new MyBlockingQueue();
        Thread customer = new Thread(() -> {
            while (true) {
                int value = 0;
                try {
                    value = queue.take();
                    System.out.println("消费: " + value);

                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        customer.start();

        Thread producer = new Thread(() -> {
            int value = 0;
            while (true) {
                try {
                    queue.put(value);
                    System.out.println("生产: " + value);
                    value++;
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        producer.start();
    }
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