Java 中的阻塞队列

本文部分摘自《Java 并发编程的艺术》

阻塞队列概述

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：

• 支持阻塞的插入方法：意思是当队列为满时，队列会阻塞插入元素的线程，直到队列不为满
• 支持阻塞的移除方法：意思是当队列为空时，获取元素的线程会等待队列变为非空

阻塞队列通常用在生产者和消费者的场景，生产者是向队列添加元素的线程，消费者是从队列获取元素的线程。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四种处理方式：

• 抛出异常

  当队列满时，如果再往队列里插入元素，会抛出 IllegalStateException 异常。当队列空时，从队列里获取元素会抛出 NoSuchElementException 异常

• 返回特殊值

  当往队列插入元素，会返回元素是否插入成功，成功返回 true，否则返回 false。如果是移除方法，则是从队列里取出一个元素，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，直到队列可用或者响应中断。当队列为空时，如果消费者线程从队列里 take 元素，队列会阻塞消费者线程，直到队列不为空

• 超时退出

  当阻塞队列满时，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，如果超过了指定的时间，生产者线程就会退出

Java 里的阻塞队列

JDK7 提供了 7 个阻塞队列，如下：

1. 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，默认情况下不保证线程公平的访问队列

2. 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

3. 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序，也可以定义类实现 compareTo() 方法来指定元素排序规则，或者初始化队列时，指定构造参数 Comparator

4. 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 Delay 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，只有延迟期满才能从队列中提取元素

DelayQueue 可以运用在以下应用场景：

• 缓存系统的设计：可以用 DelayQueue 保证缓存元素的有效期，使用一个线程循环查询 DelayQueue，一旦能从中获取元素，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

5. SynchronousQueue

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

6. LinkedTransferQueue

LinkedTransferQueue 是一个由链表结构组成的无界阻塞队列 TransferQueue 队列，相对于其他阻塞队列，LinkedTransferQueue 多了 tryTransfer 和 transfer 方法

• 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

• 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，也可以带上时间限制

7. LinkedBlockingDeque

LinkedBlockingDeque 是一个由链表结构组成的双向阻塞队列，因为多了一个操作队列的入口，在多线程同时入队时，也就少了一半的竞争