Java中的阻塞队列

1. 什么是阻塞队列

阻塞队列是支持两个附加操作的队列。这两个附加操作就是阻塞式的插入和移除方法。

支持阻塞的插入方法：当队列满时，队列会阻塞插入元素的线程，直到队列不满；
支持阻塞的移除方法：当队列为空时，队列会阻塞获取元素的线程，直到队列非空。

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

返回特殊值

一直阻塞

超时退出

插入

add(e)

offer(e)

put(e)

offer(e, time, unit)

移除

remove()

poll()

take()

poll(time, unit)

检查

element()

peek()

不可用

下面，解释一下这四种情况具体如何处理：

抛出异常：队列满时，再次插入会抛出IllegalStateException（Queue full）异常。队列空时，再次获取元素会抛出NoSuchElementException异常；
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，如果没有返回null；
一直阻塞：队列满时，如果生产者线程继续put元素，队列就会一直阻塞生产者线程，直到队列可用或者响应中断退出。当队列为空时，如果消费者线程继续take元素，那么队列会阻塞消费者线程直到队列不为空；
超时退出：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，如果超出了这个时间，生产者线程就会退出。

2. Java里面的阻塞队列

JDK7提供了7个阻塞队列。

2.1 ArrayBlockingQueue

一个由数组结构组成的有界阻塞队列。按照FIFO原则对元素排序。默认情况下不保证线程公平的访问队列，即不保证先阻塞的线程先访问队列。可以通过构造器传入参数构建一个公平的阻塞队列。访问者的公平性是通过可重入锁实现的。

2.2 LinkedBlockingQueue

一个由链表实现的有界阻塞队列。默认最大长度Integer.MAX_VALUE。按照FIFO对元素进行排序。

2.3 PriorityBlockingQueue

一个支持优先级的无界阻塞队列，默认情况下采用自然排序升序排列，也可以自定义排序规则。

2.4 DelayQueue

一个支持延时获取元素的无界阻塞队列。队列使用PriorityQueue实现。

2.5 SynchronousQueue

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，否则不能添加元素。支持公平访问队列。

2.6 LinkedTransferQueue

由链表结构组成的无界阻塞队列，比其他阻塞队列多了一个tryTransfer和transfer方法。

2.7 LinkedBlockingDeque

链表结构组成的双向阻塞队列。

3. ArrayBlockingQueue实现原理

阻塞队列是通过通知模式实现生产者和消费者之间的通信的，当生产者向一个满的队列put数据的时候会被阻塞，当消费者消费了一个队列元素后，会通知生产者当前队列可用。看一下源码：

构造器：

final Object[] items;  // 存放队列元素的数组
private final Condition notEmpty;  // 等待take的Condition
private final Condition notFull;  // 等待put的Condition
final ReentrantLock lock;  // 可重入锁

public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
  this(capacity, false);
}
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
  if (capacity <= 0)
    throw new IllegalArgumentException();
  this.items = new Object[capacity];  // 初始化存放队列的数组
  lock = new ReentrantLock(fair);  // fair:true 公平锁  fair:false 非公平锁(默认)
  notEmpty = lock.newCondition();
  notFull =  lock.newCondition();
}

存储元素

public void put(E e) throws InterruptedException {
  checkNotNull(e);
  final ReentrantLock lock = this.lock;
  lock.lockInterruptibly();  // 如果当前线程没有被打断，则获取锁
  try {
    while (count == items.length)  // 如果当前队列已满，则阻塞生产者
      notFull.await();
    enqueue(e);  // 元素入队
  } finally {
    lock.unlock();
  }
}

private void enqueue(E x) {
  final Object[] items = this.items;
  items[putIndex] = x;
  if (++putIndex == items.length)
    putIndex = 0;
  count++;
  notEmpty.signal();  // 队列有元素了，通知消费者你可以来取了
}

取出元素

public E take() throws InterruptedException {
  final ReentrantLock lock = this.lock;
  lock.lockInterruptibly();  // 如果当前线程没有被打断，则获取锁
  try {
    while (count == 0)  // 如果当前队列已空，则阻塞消费者
      notEmpty.await();
    return dequeue();  // 元素出队
  } finally {
    lock.unlock();
  }
}

private E dequeue() {
  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();  // 刚取出了一个元素，队列肯定不为空，通知生产者你可以来放入元素了
  return x;
}

从源码可以看到生产者放入元素的时候，如果队列已满，则阻塞生产者放入元素，直到有消费者消费了队列元素就通知生产者可以放入了。同理，当消费者取出元素的时候，如果队列为空，则阻塞消费者，直到生产者放入了元素则通知消费者你可以继续取元素了。这是一个典型的通知模式。

参考：
《Java并发编程的艺术》

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