阻塞佇列詳解

什么是阻塞佇列

　　【1】阻塞佇列：從定義上來說是佇列的一種，那么肯定是一個先進先出（FIFO）的資料結構，與普通佇列不同的是，它支持兩個附加操作，即阻塞添加和阻塞洗掉方法，

　　【2】阻塞添加：當阻塞佇列是滿時，往佇列里添加元素的操作將被阻塞，

　　【3】阻塞移除：當阻塞佇列是空時，從佇列中獲取元素/洗掉元素的操作將被阻塞，

java中對阻塞佇列的定義

　　【1】BlockingQueue介面與Queue介面【Queue 和 BlockingQueue 都是在 Java 5 中加入的】

　　　　1）Queue介面

public interface Queue<E> extends Collection<E> {
     //添加一個元素，添加成功回傳true, 如果佇列滿了，就會拋出例外
    boolean add(E e);
    //添加一個元素，添加成功回傳true, 如果佇列滿了，回傳false
    boolean offer(E e);
    //回傳并洗掉隊首元素，佇列為空則拋出例外
    E remove();
    //回傳并洗掉隊首元素，佇列為空則回傳null
    E poll();
    //回傳隊首元素，但不移除，佇列為空則拋出例外
    E element();
    //獲取隊首元素，但不移除，佇列為空則回傳null
    E peek();
}

 　　　　2）BlockingQueue介面

　　　　　　1.原始碼展示

public interface BlockingQueue<E> extends Queue<E> {

    boolean add(E e);

    boolean offer(E e);

    void put(E e) throws InterruptedException;

    boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

    E take() throws InterruptedException;

    E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

    int remainingCapacity();

    boolean remove(Object o);

    public boolean contains(Object o);

    int drainTo(Collection<? super E> c);

    int drainTo(Collection<? super E> c, int maxElements);
}

　　　　　　2.分析說明

　　　　　　　　【1】BlockingQueue 繼承了 Queue 介面，是佇列的一種，阻塞佇列（BlockingQueue）是一個在佇列基礎上又支持了兩個附加操作的佇列，兩個附加操作:

　　　　　　　　　　　　1）支持阻塞的插入方法put: 佇列滿時，佇列會阻塞插入元素的執行緒，直到佇列不滿，

　　　　　　　　　　　　2）支持阻塞的移除方法take: 佇列空時，獲取元素的執行緒會等待佇列變為非空，

　　　　　　　　【2】BlockingQueue和JDK集合包中的Queue介面兼容，同時在其基礎上增加了阻塞功能：

　　　　　　　　　　　　入隊：
　　　　　　　　　　　　（1）offer(E e)：如果佇列沒滿，回傳true，如果佇列已滿，回傳false（不阻塞）
　　　　　　　　　　　　（2）offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)：可以設定阻塞時間，如果佇列已滿，則進行阻塞，超過阻塞時間，則回傳false
　　　　　　　　　　　　（3）put(E e)：佇列沒滿的時候是正常的插入，如果佇列已滿，則阻塞，直至佇列空出位置
　　　　　　　　　　　　出隊：
　　　　　　　　　　　　（1）poll()：如果有資料，出隊，如果沒有資料，回傳null （不阻塞）
　　　　　　　　　　　　（2）poll(long timeout, TimeUnit unit)：可以設定阻塞時間，如果沒有資料，則阻塞，超過阻塞時間，則回傳null
　　　　　　　　　　　　（3）take()：佇列里有資料會正常取出資料并洗掉；但是如果佇列里無資料，則阻塞，直到佇列里有資料

　　　　　　　　【3】BlockingQueue常用方法示例：　　

阻塞佇列特性

　　【1】阻塞

　　　　1）阻塞佇列區別于其他型別的佇列的最主要的特點就是“阻塞”這兩個字，所以下面重點介紹阻塞功能：阻塞功能使得生產者和消費者兩端的能力得以平衡，當有任何一端速度過快時，阻塞佇列便會把過快的速度給降下來，實作阻塞最重要的兩個方法是 take 方法和 put 方法，

　　　　2）take 方法

　　　　　　take 方法的功能是獲取并移除佇列的頭結點，通常在佇列里有資料的時候是可以正常移除的，可是一旦執行 take 方法的時候，佇列里無資料，則阻塞，直到佇列里有資料，一旦佇列里有資料了，就會立刻解除阻塞狀態，并且取到資料，程序如圖所示：

　　　　3）put 方法

　　　　　　put 方法插入元素時，如果佇列沒有滿，那就和普通的插入一樣是正常的插入，但是如果佇列已滿，那么就無法繼續插入，則阻塞，直到佇列里有了空閑空間，如果后續佇列有了空閑空間，比如消費者消費了一個元素，那么此時佇列就會解除阻塞狀態，并把需要添加的資料添加到佇列中，程序如圖所示：

　　【2】是否有界

　　　　阻塞佇列還有一個非常重要的屬性，那就是容量的大小，分為有界和無界兩種，無界佇列意味著里面可以容納非常多的元素，例如 LinkedBlockingQueue 的上限是 Integer.MAX_VALUE，是非常大的一個數，可以近似認為是無限容量，因為我們幾乎無法把這個容量裝滿，但是有的阻塞佇列是有界的，例如 ArrayBlockingQueue 如果容量滿了，也不會擴容，所以一旦滿了就無法再往里放資料了，

阻塞佇列應用場景

　　【1】BlockingQueue 是執行緒安全的，我們在很多場景下都可以利用執行緒安全的佇列來優雅地解決我們業務自身的執行緒安全問題，比如說，使用生產者/消費者模式的時候，我們生產者只需要往佇列里添加元素，而消費者只需要從佇列里取出它們就可以了，如圖所示：

　　【2】因為阻塞佇列是執行緒安全的，所以生產者和消費者都可以是多執行緒的，不會發生執行緒安全問題，生產者/消費者直接使用執行緒安全的佇列就可以，而不需要自己去考慮更多的執行緒安全問題，這也就意味著，考慮鎖等執行緒安全問題的重任從“你”轉移到了“佇列”上，降低了我們開發的難度和作業量，

　　【3】同時，佇列它還能起到一個隔離的作用，比如說我們開發一個銀行轉賬的程式，那么生產者執行緒不需要關心具體的轉賬邏輯，只需要把轉賬任務，如賬戶和金額等資訊放到佇列中就可以，而不需要去關心銀行這個類如何實作具體的轉賬業務，而作為銀行這個類來講，它會去從佇列里取出來將要執行的具體的任務，再去通過自己的各種方法來完成本次轉賬，這樣就實作了具體任務與執行任務類之間的解耦，任務被放在了阻塞佇列中，而負責放任務的執行緒是無法直接訪問到我們銀行具體實作轉賬操作的物件的，實作了隔離，提高了安全性，

常見阻塞佇列

　　BlockingQueue 介面的實作類都被放在了 juc 包中，它們的區別主要體現在存盤結構上或對元素操作上的不同，但是對于take與put操作的原理，卻是類似的（可自行查看原始碼分析）：

如何選擇適合的阻塞佇列

 選擇策略

　　通常我們可以從以下 5 個角度考慮，來選擇合適的阻塞佇列：

　　第 1 個需要考慮的就是功能層面，比如是否需要阻塞佇列幫我們排序，如優先級排序、延遲執行等，如果有這個需要，我們就必須選擇類似于 PriorityBlockingQueue 之類的有排序能力的阻塞佇列，

　　第 2 個需要考慮的是容量，或者說是否有存盤的要求，還是只需要“直接傳遞”，在考慮這一點的時候，我們知道前面介紹的那幾種阻塞佇列，有的是容量固定的，如 ArrayBlockingQueue；有的默認是容量無限的，如 LinkedBlockingQueue；而有的里面沒有任何容量，如 SynchronousQueue；而對于 DelayQueue 而言，它的容量固定就是 Integer.MAX_VALUE，所以不同阻塞佇列的容量是千差萬別的，我們需要根據任務數量來推算出合適的容量，從而去選取合適的 BlockingQueue，

　　第 3 個需要考慮的是能否擴容，因為有時我們并不能在初始的時候很好的準確估計佇列的大小，因為業務可能有高峰期、低谷期，如果一開始就固定一個容量，可能無法應對所有的情況，也是不合適的，有可能需要動態擴容，如果我們需要動態擴容的話，那么就不能選擇 ArrayBlockingQueue ，因為它的容量在創建時就確定了，無法擴容，相反，PriorityBlockingQueue 即使在指定了初始容量之后，后續如果有需要，也可以自動擴容，所以我們可以根據是否需要擴容來選取合適的佇列，

　　第 4 個需要考慮的點就是記憶體結構，我們分析過 ArrayBlockingQueue 的原始碼，看到了它的內部結構是“陣列”的形式，和它不同的是，LinkedBlockingQueue 的內部是用鏈表實作的，所以這里就需要我們考慮到，ArrayBlockingQueue 沒有鏈表所需要的“節點”，空間利用率更高，所以如果我們對性能有要求可以從記憶體的結構角度去考慮這個問題，

　　第 5 點就是從性能的角度去考慮，比如 LinkedBlockingQueue 由于擁有兩把鎖，它的操作粒度更細，在并發程度高的時候，相對于只有一把鎖的 ArrayBlockingQueue 性能會更好，另外，SynchronousQueue 性能往往優于其他實作，因為它只需要“直接傳遞”，而不需要存盤的程序，如果我們的場景需要直接傳遞的話，可以優先考慮 SynchronousQueue，

執行緒池對于阻塞佇列的選擇

　　執行緒池有很多種，不同種類的執行緒池會根據自己的特點，來選擇適合自己的阻塞佇列：

FixedThreadPool（SingleThreadExecutor 同理）選取的是 LinkedBlockingQueue
CachedThreadPool 選取的是 SynchronousQueue
ScheduledThreadPool（SingleThreadScheduledExecutor同理）選取的是延遲佇列

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