深入浅出 Java Concurrency (23): 并发容器 part 8 可阻塞的BlockingQueue (3)[转]

在Set中有一个排序的集合SortedSet，用来保存按照自然顺序排列的对象。Queue中同样引入了一个支持排序的FIFO模型。

并发队列与Queue简介 中介绍了，PriorityQueue和PriorityBlockingQueue就是支持排序的Queue。显然一个支持阻塞的排序Queue要比一个非线程安全的Queue实现起来要复杂的多，因此下面只介绍PriorityBlockingQueue，至于PriorityQueue只需要去掉Blocking功能就基本相同了。

排序的BlockingQueue — PriorityBlockingQueue

先简单介绍下PriorityQueue，因为PriorityBlockingQueue内部就是通过PriorityQueue适配实现的，只不过通过锁进行同步和阻塞而已。

PriorityQueue是一个数组实现的，是一个二叉树的实现，这个二叉树的任意一个节点都比其子节点要小，这样顶点就是最小的节点。每一个元素或者节点要么本身是可比较的（Comparable），或者队列本身带有一个比较器（Comparator<? super E>），所有元素就是靠比较自身的大小来确定顺序的。而数组中顶点就是数组的第0个元素，因此出队列的话总是取第0个元素。对于第0个元素，其子节点是第1个元素和第2个元素，对于第1个元素，其子元素又是第3/4个元素，以此类推，第i个元素的父节点就是(i-1)/2。这样任意一个元素加入队列就从其父节点(i-1)/2开始比较，一旦新节点比父节点小就交换两个节点，然后继续比较新节点与其新的父节点。知道所有节点都是按照父节点一定比子节点小的顺序排列。这是一个有点复杂的算法，此处不再讨论更多的细节。不管是删除还是查找，我们只需要了解的顶点（索引为0的元素）总是最小的。

特别需要说明的是PriorityQueue是一个无界的队列，也就是说一旦元素的个数达到了数组的大小，那么就将数组扩大50%，这样这个数组就是无穷大的。当然了如果达到了整数的最大值就会得到一个OutOfMemoryError，这个是由逻辑保证的。

对于PriorityBlockingQueue而言，由于是无界的，因此就只有非空的信号，也就是说只有take()才能阻塞，put是永远不会阻塞（除非达到Integer.MAX_VALUE直到抛出一个OutOfMemoryError异常）。

只有take()操作的时候才可能因为队列为空而挂起。同时其它需要操作队列变化和大小的只需要使用独占锁ReentrantLock就可以了，非常方便。需要说明的是PriorityBlockingQueue采用了一个公平的锁。

总的来说PriorityBlockingQueue 不是一个FIFO的队列，而是一个有序的队列，这个队列总是取“自然顺序”最小的对象，同时又是一个只能出队列阻塞的BlockingQueue，对于入队列却不是阻塞的。所有操作都是线程安全的。

直接交换的BlockingQueue — SynchronousQueue

这是一个很有意思的阻塞队列，其中每个插入操作必须等待另一个线程的移除操作，同样任何一个移除操作都等待另一个线程的插入操作。因此此队列内部其实没有任何一个元素，或者说容量是0，严格说并不是一种容器。由于队列没有容量，因此不能调用peek操作，因为只有移除元素时才有元素。

一个没有容量的并发队列有什么用了？或者说存在的意义是什么？

SynchronousQueue 的实现非常复杂，当然了如果真要去分析还是能够得到一些经验的，但是前面分析了过多的结构后，发现越来越陷于数据结构与算法里面了。我的初衷是通过研究并发实现的原理来更好的利用并发来最大限度的利用可用资源。所以在后面的章节中尽可能的少研究数据结构和算法，但是为了弄清楚里面的原理，必不可免的会涉及到一些这方面的知识，希望后面能够适可而止。

再回到话题。SynchronousQueue 内部没有容量，但是由于一个插入操作总是对应一个移除操作，反过来同样需要满足。那么一个元素就不会再SynchronousQueue 里面长时间停留，一旦有了插入线程和移除线程，元素很快就从插入线程移交给移除线程。也就是说这更像是一种信道（管道），资源从一个方向快速传递到另一方向。

需要特别说明的是，尽管元素在SynchronousQueue 内部不会“停留”，但是并不意味之SynchronousQueue 内部没有队列。实际上SynchronousQueue 维护者线程队列，也就是插入线程或者移除线程在不同时存在的时候就会有线程队列。既然有队列，同样就有公平性和非公平性特性，公平性保证正在等待的插入线程或者移除线程以FIFO的顺序传递资源。

显然这是一种快速传递元素的方式，也就是说在这种情况下元素总是以最快的方式从插入着（生产者）传递给移除着（消费者），这在多任务队列中是最快处理任务的方式。在线程池的相关章节中还会更多的提到此特性。

事实上在《并发队列与Queue简介》中介绍了还有一种BlockingQueue的实现DelayQueue，它描述的是一种延时队列。这个队列的特性是，队列中的元素都要延迟时间（超时时间），只有一个元素达到了延时时间才能出队列，也就是说每次从队列中获取的元素总是最先到达延时的元素。这种队列的场景就是计划任务。比如以前要完成计划任务，很有可能是使用Timer/TimerTask，这是一种循环检测的方式，也就是在循环里面遍历所有元素总是检测元素是否满足条件，一旦满足条件就执行相关任务。显然这中方式浪费了很多的检测工作，因为大多数时间总是在进行无谓的检测。而DelayQueue 却能避免这种无谓的检测。在线程池的计划任务部分还有更加详细的讨论此队列实现。

下面就对常见的BlockingQueue进行小节下，这里不包括双向的队列，尽管ConcurrentLinkedQueue不是可阻塞的Queue，但是这里还是将其放在一起进行对比。

如果不需要阻塞队列，优先选择ConcurrentLinkedQueue；如果需要阻塞队列，队列大小固定优先选择ArrayBlockingQueue，队列大小不固定优先选择LinkedBlockingQueue；如果需要对队列进行排序，选择PriorityBlockingQueue；如果需要一个快速交换的队列，选择SynchronousQueue；如果需要对队列中的元素进行延时操作，则选择DelayQueue。