JUC之Java中的阻塞队列及其实现原理

　　在文章线程池实现原理 - 池塘里洗澡的鸭子 - 博客园 (cnblogs.com)中介绍了线程池的组成部分，其中一个组成部分就是阻塞队列。那么JAVA中的阻塞队列如何实现的呢？

　　阻塞队列，关键字是阻塞，先理解阻塞的含义——所谓阻塞队列两层语义——1）队列本身被阻塞(队列满，无法插入数据)，2）使用队列的线程被阻塞，线程阻塞有这样的两种情况：
　　　　a）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。
　　　　　　　　

　　　　b）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。
　　　　　　　　

　　以线程池为例，生产者线程在线程池外实现Runnable接口的任务，线程池内消费者线程执行队列中的任务。其线程之间的互动就是通过阻塞/唤醒机制实现，具体可参考Java线程间通讯——等待通知机制及其经典范式 - 池塘里洗澡的鸭子 - 博客园 (cnblogs.com)。

　　Java程序员进行并发编程时，相比于其他语言的程序员而言要倍感幸福，JDK为Java开发者提供了非常多的并发容器和框架而不是需要开发自行实现多线程的通讯与同步操作。

　　在理解Java中的阻塞队列之前，需求了解队列这个基础的数据结构，再深入理解JDK中实现原理。数据结构可以参考阻塞队列（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

　　　　其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。

　　　　　　

　　Java11提供哪些阻塞队列呢？下图是JUC中提供的队列及接口实现关系。

　　　　

　　这么多Queue，实际为阻塞队列——implements BlockingQueue的只有七个，如下图红框部分(蓝色部分为内部类不作介绍)：

　　　　　　　　

　　1. ArrayBlockingQueue ：

　　　　　　

　　　　其核心属性如下：

　　　　　　

　　　　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);

　　　　　　

　　　　put方法：

　　　　　　

　　　　take方法：

　　　　　　

　　2. LinkedBlockingQueue ：

　　　　基于链表的阻塞队列，同 ArrayListBlockingQueue 类似，此队列按照先进先出（FIFO）的原则对元素进行排序。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(因为队头和队尾是2个指针分开操作的，所以用了2把锁+2个条件，同时有1个AtomicInteger的原子变量记录count数。)，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。
　　　　　　
　　　　其核心属性如下：
　　　　　　
　　　　在其构造方法中，也可以指定队列的总容量。如果不指定，默认为Integer.MAX_VALUE。

　　　　　　

　　　　take方法：

　　　　　　

　　　　put方法：

　　　　　　

　　3. PriorityBlockingQueue ：

　　　　是一个支持优先级的无界队列。默认情况下元素采取自然顺序升序排列。 可以自定义实现compareTo()方法来指定元素进行排序规则，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。
　　　　　　

　　4. 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。我们可以将 DelayQueue 运用在以下应用场景：
　　　　1）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。
　　　　2）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，从比如 TimerQueue 就是使用 DelayQueue 实现的。

　　　　　　

　　5. SynchronousQueue：

　　　　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。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，非常适合于传递性场景,比如在一个线程中使用的数据，传递给另 外 一 个 线 程 使 用 ， SynchronousQueue 的 吞 吐 量 高 于 LinkedBlockingQueue 和ArrayBlockingQueue。

　　　　　　

　　6. 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）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，则是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。

　　　　　　

　　7. LinkedBlockingDeque：

　　　　是一个由链表结构组成的双向阻塞队列。所谓双向队列指的你可以从队列的两端插入和移出元素。双端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， 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渡膨胀。另外双向阻塞队列可以运用在“工作窃取”模式中。
　　　　　　

未完，待续……