Java并发编程之阻塞队列详解

1、什么是阻塞队列？
队列是一种数据结构，它有两个基本操作：在队列尾部加入一个元素，从队列头部移除一个元素。阻塞队里与普通的队列的区别在于，普通队列不会对当前线程产生阻塞，在面对类似消费者-生产者模型时，就必须额外的实现同步策略以及线程间唤醒策略。使用阻塞队列，就会对当前线程产生阻塞，当队列是空时，从队列中获取元素的操作将会被阻塞，当队列是满时，往队列里添加元素的操作也会被阻塞。

2、主要的阻塞队列及其方法

java.util.concurrent包下提供主要的几种阻塞队列，主要有以下几个：

1）ArrayBlockingQueue:基于数组实现的阻塞队列，在创建ArrayBlockingQueue对象时必须指定其容量大小，还可以指定访问策略，默认情况下为非公平的，即不保证等待时间最长的线程最优先能够访问队列。
2）、LinkedBlockingQueue：基于链表实现的一个阻塞队列，在创建LinkedBlockingQueue对象时如果不指定容量大小，则默认大小为Integer.MAX_VALUE。
3）、以上2种队列都是先进先出队列，而PriorityBlockingQueue却不是，它会按照元素的优先级对元素进行排序，按照优先级顺序出队，每次出队的元素都是优先级最高的元素。注意，此阻塞队列为 * 阻塞队列，即容量没有上限（通过源码就可以知道，它没有容器满的信号标志），前面2种都是有界队列。
4）、DelayQueue：基于PriorityQueue，一种延时阻塞队列，DelayQueue中的元素只有当其指定的延迟时间到了，才能够从队列中获取到该元素。DelayQueue也是一个 * 队列，因此往队列中插入数据的操作（生产者）永远不会被阻塞，而只有获取数据的操作（消费者）才会被阻塞。

阻塞队列包括了非阻塞队列中的大部分方法，还提供另外若干非常有用的方法：

put方法用来向队尾存入元素，如果队列满，则等待；
take方法用来从队首取元素，如果队列为空，则等待；
offer方法用来向队尾存入元素，如果队列满，则等待一定的时间，当时间期限达到时，如果还没有插入成功，则返回false；否则返回true；
poll方法用来从队首取元素，如果队列空，则等待一定的时间，当时间期限达到时，如果取到，则返回null；否则返回取得的元素；

下面看一段代码：

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;

/**
* @author 作者：徐剑  E-mail:anxu_2013@163.com
* @version 创建时间：2016年3月20日 下午12:52:53
* 类说明
*/
public class BlockingQueue
{
 public static void main(String[] args) throws InterruptedException
 {
   java.util.concurrent.BlockingQueue<String> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(5);
   for (int i = 0; i < 10; i++)
   {
     // 将指定元素添加到此队列中
     blockingQueue.put("加入元素" + i);
     System.out.println("向阻塞队列中添加了元素:" + i);
   }
   System.out.println("程序到此运行结束，即将退出----");
 }
}

当限制阻塞队列数量为5时，添加了5个元素之后，继续添加将会队列外阻塞等待，此时程序并未终止。

当队列满了之后，我们将队首元素移除，则可以继续向阻塞队列中添加元素，代码如下：

public class BlockingQueue
{
 public static void main(String[] args) throws InterruptedException
 {
   java.util.concurrent.BlockingQueue<String> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(5);
   for (int i = 0; i < 10; i++)
   {
     // 将指定元素添加到此队列中
     blockingQueue.put("加入元素" + i);
     System.out.println("向阻塞队列中添加了元素:" + i);
     if(i>=4)
       System.out.println("移除队首元素"+blockingQueue.take());
   }
   System.out.println("程序到此运行结束，即将退出----");
 }

执行结果如下：

3、阻塞队列的实现原理
下面主要看一下ArrayBlockingQueue的实现原理。

首先看一下ArrayBlockingQueue类的成员变量：

public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
   implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {

/** 底层存储结构-数组 */
 final Object[] items;

/** 队首元素下标 */
 int takeIndex;

/** 队尾元素下标 */
 int putIndex;

/**队列元素总数 */
 int count;

/** 重入锁 */
 final ReentrantLock lock;

/** notEmpty等待条件 */
 private final Condition notEmpty;
 /** notFull等待条件 */
 private final Condition notFull;
 /**
  * Shared state for currently active iterators, or null if there
  * are known not to be any. Allows queue operations to update
  * iterator state.
  */
 transient Itrs itrs = null;

可以看到，ArrayBlockingQueue用来存储元素的实际上是一个数组。

再看下ArrayBlockingQueue两个重要方法的实现，put()和take():

public void put(E e) throws InterruptedException
 {
   //先检查e是否为空
   checkNotNull(e);
   //获取锁
   final ReentrantLock lock = this.lock;
   lock.lockInterruptibly();
   try
   {
     //当队列已满，进入条件等待
     while (count == items.length)
       notFull.await();
     //队列不满，进行入队列操作
     enqueue(e);
   }
   finally
   {
     //释放锁
     lock.unlock();
   }
 }

再看下具体的入队操作：

private void enqueue(E x)
 {
   final Object[] items = this.items;
   //队尾入队
   items[putIndex] = x;
   if (++putIndex == items.length)
     putIndex = 0;
   //队列总数+1
   count++;
   //notempty条件的等待集中随机选择一个线程，解除其阻塞状态
   notEmpty.signal();
 }

下面是take()方法的源代码：

public E take() throws InterruptedException
 {
   //获取锁
   final ReentrantLock lock = this.lock;
   lock.lockInterruptibly();
   try
   {
     //队列为空
     while (count == 0)
       //线程加入notEmpty条件等待集
       notEmpty.await();
     //非空，出队列
     return dequeue();
   } finally
   {
     //释放锁
     lock.unlock();
   }
 }

4、阻塞队列的应用：实现消费者-生产者模式

/**
* @author 作者：徐剑  E-mail:anxu_2013@163.com
* @version 创建时间：2016年3月20日 下午2:21:55
* 类说明：阻塞队列实现的消费者-生产者模式
*/
public class Test
{
 private int queueSize = 10;
 private ArrayBlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<Integer>(queueSize);
 public static void main(String[] args)
 {
   Test test = new Test();
   Producer producer = test.new Producer();
   Consumer consumer = test.new Consumer();
   producer.start();
   consumer.start();
 }
 class Consumer extends Thread
 {
   @Override
   public void run()
   {
     consume();
   }

private void consume()
   {
     while (true)
     {
       try
       {
         queue.take();
         System.out.println("从队列取走一个元素，队列剩余" + queue.size() + "个元素");
       } catch (InterruptedException e)
       {
         e.printStackTrace();
       }
     }
   }
 }
 class Producer extends Thread
 {
   @Override
   public void run()
   {
     produce();
   }
   private void produce()
   {
     while (true)
     {
       try
       {
         queue.put(1);
         System.out.println("向队列取中插入一个元素，队列剩余空间："+ (queueSize - queue.size()));
       } catch (InterruptedException e)
       {
         e.printStackTrace();
       }
     }
   }
 }
}