Java容器：Stack，Queue，PriorityQueue和BlockingQueue

• Stack
• Queue
• PriorityQueue
• BlockingQueue
  • ArrayBlockingQueue
  • LinkedBlockingQueue
  • PriorityBlockingQueue
  • DelayQueue
  • SynchronousQueue
• 参考文章

1. Stack

Java中Stack类继承了Vector类，在其基础上实现了了栈的功能。由于是直接继承而非通过接口进行隐藏（如Queue虽然由LinkedList实现，但对其非队列接口进行了隐藏），Java的Stack拥有Vector的所有方法并且继承了其线程安全特性（所以也和Vector一样在性能上有所损耗）。

在List的基础上，Stack添加了以下方法：

• push:向栈中压入一个元素并返回该元素。
• peek:获取栈顶元素，栈为空抛出异常。
• pop:获取并弹出栈顶元素，栈为空抛出异常。
• empty:同isEmpty()。
• search:基于lastIndexOf()实现，返回搜索元素离栈顶的最近距离。

可见，Stack是一个古老的，并为了模拟栈的操作不惜重复实现同一函数的方法。当比较注重效率时，显然基于LinkedList或者ArrayList对栈重新实现，会有更好的效果。

2. Queue

从继承层次上看，Queue和List,Map,Set一样，是直接继承了Collections类的容器类，但是从其实现上看，Queue又可以视为一种特殊的List。原因是Queue的直接实现方法是LinkedList，并对其功能加以限制，仅暴露了Queue支持的功能：add(),remove(),element(),offer(),poll(),peek(),put(),take()。当然LinkedList这些功能对于List接口，也并非全部暴露。

Queue对象能够使用以下方法操作：

• add：队列末尾添加一个元素，若队列已满抛出异常。

• offer：队列末尾添加一个元素，若队列已满返回false，成功返回true。另外，可以附加时间，时间单位参数设置超时。

• remove：移除并返回队列头部元素，若队列已空抛出异常。

• poll：移除并返回队列头部元素，若队列已空返回Null。另外，可以附加时间，时间单位参数设置超时。

• element：返回队列头部元素，若队列已空抛出异常。

• peek：返回队列头部元素，若队列已空返回Null。

需要注意的是，由于队列中poll和peek操作以Null为标志，所以队列中添加Null元素是不合法的。

3. PriorityQueue

在介绍完Stack和Queue后，自然要说另一个最基本的数据结构——Heap，也就是这里的PriorityQueue优先队列。有关优先队列，我在很久很久以前介绍过C++的优先队列，Java也一样，重点部分是对Comparator的操作。

由于知道PriorityQueue是基于Heap的，当新的元素存储时，会调用siftUpUsingComparator方法，其定义如下：

    private void siftUpUsingComparator(int k, E x) {
        while (k > 0) {
            int parent = (k - 1) >>> 1;
            Object e = queue[parent];
            if (comparator.compare(x, (E) e) >= 0)
                break;
            queue[k] = e;
            k = parent;
        }
        queue[k] = x;
    }

我们从代码可以看出，当Comparator的返回值为负时，会进行siftUp操作。例如，如果我们想让数值大的数字（下例子中为a）先出列，则让compare(a,b)，则返回-1即可。可以看出来，和C++类似，方法取得的是“不小于”的概念。我们定义的方法可以视为是一个“小于”方法。

另外我们要注意到Comparator这个接口尽管有很多方法，但是有@FunctionalInterface标志，说明这是一个函数接口，换言之，在Java8中，我们可以使用lambda表达式来写这个方法。

用匿名类方法写的Comparator:

        PriorityQueue priorityQueue=new PriorityQueue(new Comparator<Student>() {
            @Override
            public int compare(Student student1, Student student2) {
                return student1.mark.compareTo(student2.mark);
            }
        });

用lambda表达式写Comparator

        PriorityQueue priorityQueue=new PriorityQueue((Comparator<Student>)(student1, student2)->student1.mark.compareTo(student2.mark));

这里需要注意的是，如果不加上类型转换，Java无法正确推断lambda表达式的类型。

4. BlockingQueue

Java中Queue的最重要的应用大概就是其子类BlockingQueue了。

考虑到生产者消费者模型，我们有多个生产者和多个消费者，生产者不断提供资源给消费者，但如果它们的生产/消费速度不匹配或者不稳定，则会造成大量的生产者闲置/消费者闲置。此时，我们需要使用一个缓冲区来存储资源，即生产者将资源置于缓冲区，而消费者不断地从缓冲区中取用资源，从而减少了闲置和阻塞。

BlockingQueue，阻塞队列，即可视之为一个缓冲区应用于多线程编程之中。当队列为空时，它会阻塞所有消费者线程，而当队列为满时，它会阻塞所有生产者线程。

在queue的基础上，BlockingQueue又添加了以下方法：

• put：队列末尾添加一个元素，若队列已满阻塞。
• take：移除并返回队列头部元素，若队列已空阻塞。
• drainTo:一次性获取所有可用对象，可以用参数指定获取的个数，该操作是原子操作，不需要针对每个元素的获取加锁。

BlockingQueue接口有以下几种实现。

4.1. ArrayBlockingQueue

由一个定长数组和两个标识首尾的整型index标识组成，生产者放入数据和消费者取出数据对于ArrayBlockingQueue而言使用了同一个锁（一个私有的ReentrantLock），因而无法实现真正的并行。可以在初始化时除长度参数以外，附加一个boolean类型的变量，用于给其私有的ReentrantLock进行初始化（初始化是否为公平锁，默认为false）。

4.2. LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue的最大特点是，若没有指定最大容量，其可以视为无界队列（有默认最大容量限制,往往系统资源耗尽也无法达到）。即，不对生产者的行为加以限制，只在队列为空的时候限制消费者的行为。LinkedBlockingQueue采用了读写分离的两个ReentrantLock去控制put和take，因而有了更好的性能（类似读写锁提供读写场景下更好的性能），如下：

    /** Lock held by take, poll, etc */
    private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();

    /** Wait queue for waiting takes */
    private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();

    /** Lock held by put, offer, etc */
    private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();

    /** Wait queue for waiting puts */
    private final Condition notFull = putLock.newCondition();

ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue是最常用的两种阻塞队列。

4.3. PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是对PriorityQueue的包装，因而也是一个优先队列。其优先级默认是直接比较，大者先出队，也可以从构造器传入自定义的Comparator。由于PriorityQueue从实现上是一个无界队列，PriorityBlockingQueue同样是一个无界队列，对生产者不做限制。

4.4. DelayQueue

DelayQueue是在PriorityBlockingQueue的基础上包装产生的，它用于存放Delayed对象，该队列的头部是延迟期满后保存时间最长的Delayed元素（即，以时间为优先级利用PriorityBlockingQueue），当没有元素延迟期满时，对其进行poll操作将会返回Null。take操作会阻塞。

4.5. SynchronousQueue

SynchronousQueue十分特殊，它没有容量——换言之，它是一个长度为0的BlockingQueue，生产者和消费者进行的是无中介的直接交易，当生产者/消费者没有找到合适的目标时，即会发生阻塞。但由于减少了环节，其整体性能在一些系统中可能更加适合。该方法同样支持在构造时确定为公平/默认的非公平模式，如果是非公平模式，有可能会导致某些生产者/消费者饥饿。

5. 参考文章

Java多线程-工具篇-BlockingQueue