Java并发编程-阻塞队列(BlockingQueue)的实现原理

阻塞队列 (BlockingQueue)是Java util.concurrent包下重要的数据结构，BlockingQueue提供了线程安全的队列访问方式：当阻塞队列进行插入数据时，如果队列已满，线程将会阻塞等待直到队列非满；从阻塞队列取数据时，如果队列已空，线程将会阻塞等待直到队列非空。并发包下很多高级同步类的实现都是基于BlockingQueue实现的。

BlockingQueue 的操作方法

BlockingQueue 具有 4 组不同的方法用于插入、移除以及对队列中的元素进行检查。如果请求的操作不能得到立即执行的话，每个方法的表现也不同。这些方法如下： 

四组不同的行为方式解释：

• 抛异常：如果试图的操作无法立即执行，抛一个异常。
• 特定值：如果试图的操作无法立即执行，返回一个特定的值(常常是 true / false)。
• 阻塞：如果试图的操作无法立即执行，该方法调用将会发生阻塞，直到能够执行。
• 超时：如果试图的操作无法立即执行，该方法调用将会发生阻塞，直到能够执行，但等待时间不会超过给定值。返回一个特定值以告知该操作是否成功(典型的是true / false)。

无法向一个 BlockingQueue 中插入 null。如果你试图插入 null，BlockingQueue 将会抛出一个 NullPointerException。

可以访问到 BlockingQueue 中的所有元素，而不仅仅是开始和结束的元素。比如说，你将一个对象放入队列之中以等待处理，但你的应用想要将其取消掉。那么你可以调用诸如 remove(o) 方法来将队列之中的特定对象进行移除。但是这么干效率并不高(译者注：基于队列的数据结构，获取除开始或结束位置的其他对象的效率不会太高)，因此你尽量不要用这一类的方法，除非你确实不得不那么做。

BlockingQueue 的实现类

BlockingQueue 是个接口，你需要使用它的实现之一来使用BlockingQueue，java.util.concurrent包下具有以下 BlockingQueue 接口的实现类：

• ArrayBlockingQueue：ArrayBlockingQueue 是一个有界的阻塞队列，其内部实现是将对象放到一个数组里。有界也就意味着，它不能够存储无限多数量的元素。它有一个同一时间能够存储元素数量的上限。你可以在对其初始化的时候设定这个上限，但之后就无法对这个上限进行修改了(译者注：因为它是基于数组实现的，也就具有数组的特性：一旦初始化，大小就无法修改)。

• DelayQueue：DelayQueue 对元素进行持有直到一个特定的延迟到期。注入其中的元素必须实现 java.util.concurrent.Delayed 接口。

• LinkedBlockingQueue：LinkedBlockingQueue 内部以一个链式结构(链接节点)对其元素进行存储。如果需要的话，这一链式结构可以选择一个上限。如果没有定义上限，将使用 Integer.MAX_VALUE 作为上限。

• PriorityBlockingQueue：PriorityBlockingQueue 是一个无界的并发队列。它使用了和类 java.util.PriorityQueue 一样的排序规则。你无法向这个队列中插入 null 值。所有插入到 PriorityBlockingQueue 的元素必须实现 java.lang.Comparable 接口。因此该队列中元素的排序就取决于你自己的 Comparable 实现。

• SynchronousQueue：SynchronousQueue 是一个特殊的队列，它的内部同时只能够容纳单个元素。如果该队列已有一元素的话，试图向队列中插入一个新元素的线程将会阻塞，直到另一个线程将该元素从队列中抽走。同样，如果该队列为空，试图向队列中抽取一个元素的线程将会阻塞，直到另一个线程向队列中插入了一条新的元素。据此，把这个类称作一个队列显然是夸大其词了。它更多像是一个汇合点。

• 使用例子：

  阻塞队列的最长使用的例子就是生产者消费者模式,也是各种实现生产者消费者模式方式中首选的方式。使用者不用关心什么阻塞生产，什么时候阻塞消费，使用非常方便，代码如下：

  package MyThread;
  
  import java.util.Random;
  import java.util.concurrent.BlockingQueue;
  import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
  import java.util.concurrent.TimeUnit;
  
  public class BlockingQueueTest {
      //生产者
      public static class Producer implements Runnable{
          private final BlockingQueue<Integer> blockingQueue;
          private volatile boolean flag;
          private Random random;
  
          public Producer(BlockingQueue<Integer> blockingQueue) {
              this.blockingQueue = blockingQueue;
              flag=false;
              random=new Random();
  
          }
          public void run() {
              while(!flag){
                  int info=random.nextInt(100);
                  try {
                      blockingQueue.put(info);
                      System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" produce "+info);
                      Thread.sleep(50);
                  } catch (InterruptedException e) {
                      // TODO Auto-generated catch block
                      e.printStackTrace();
                  }               
              }
          }
          public void shutDown(){
              flag=true;
          }
      }
      //消费者
      public static class Consumer implements Runnable{
          private final BlockingQueue<Integer> blockingQueue;
          private volatile boolean flag;
          public Consumer(BlockingQueue<Integer> blockingQueue) {
              this.blockingQueue = blockingQueue;
          }
          public void run() {
              while(!flag){
                  int info;
                  try {
                      info = blockingQueue.take();
                      System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" consumer "+info);
                      Thread.sleep(50);
                  } catch (InterruptedException e) {
                      // TODO Auto-generated catch block
                      e.printStackTrace();
                  }               
              }
          }
          public void shutDown(){
              flag=true;
          }
      }
      public static void main(String[] args){
          BlockingQueue<Integer> blockingQueue = new LinkedBlockingQueue<Integer>(10);
          Producer producer=new Producer(blockingQueue);
          Consumer consumer=new Consumer(blockingQueue);
          //创建5个生产者，5个消费者
          for(int i=0;i<10;i++){
              if(i<5){
                  new Thread(producer,"producer"+i).start();
              }else{
                  new Thread(consumer,"consumer"+(i-5)).start();
              }
          }
  
          try {
              Thread.sleep(1000);
          } catch (InterruptedException e) {
              // TODO Auto-generated catch block
              e.printStackTrace();
          }
          producer.shutDown();
          consumer.shutDown();
  
      }
  }

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  阻塞队列原理：

  其实阻塞队列实现阻塞同步的方式很简单，使用的就是是lock锁的多条件（condition）阻塞控制。使用BlockingQueue封装了根据条件阻塞线程的过程，而我们就不用关心繁琐的await/signal操作了。