Java并发：阻塞队列BlockingQueue实现原理分析_arrayblockingqueue 超时退出

Object produce() { … }

}

class Consumer implements Runnable{

private final BlockingQueue queue;

Consumer(BlockingQueue q){

queue = q;

}

public void run(){

try{

while(true) {

consume(queue.take())); // 阻塞式获取

}

}catch(InterruptedException ex){ …handle… }

}

void consume(Object x) { … }

}

class Setup{

void main(){

BlockingQueue q = new SomeQueueImplementation();

Producer p = new Producer(q);

Consumer c1 = new Consumer(q);

Consumer c2 = new Consumer(q);

new Thread§.start();

new Thread(c1).start();

new Thread(c2).start();

}

}

阻塞队列提供的方法

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BlockingQueue 对插入操作、移除操作、获取元素操作提供了四种不同的方法用于不同的场景中使用：

方法类别抛出异常返回特殊值一直阻塞超时退出插入add(e)offer(e)put(e)offer(e, time, unit)移除remove()poll()take()poll(time, unit)瞅一瞅element()peek()

博主在这边大概解释一下，如果队列可用时，上面的几种方法其实效果都差不多，但是当队列空或满时，会表现出部分差异：

1. 抛出异常：当队列满时，如果再往队列里add插入元素e时，会抛出IllegalStateException: Queue full的异常，如果队空时，往队列中取出元素【移除或瞅一瞅】会抛出NoSuchElementException异常。

2. 返回特殊值：队列满时，offer插入失败返回false。队列空时，poll取出元素失败返回null，而不是抛出异常。

3. 一直阻塞：当队列满时，put试图插入元素，将会一直阻塞插入的生产者线程，同理，队列为空时，如果消费者线程从队列里take获取元素，也会阻塞，知道队列不为空。

4. 超时退出：可以理解为一直阻塞情况的超时版本，线程阻塞一段时间，会自动退出阻塞。

我们本篇的重点是阻塞队列，那么【一直阻塞】和【超时退出】相关的方法是我们分析的重头啦。

阻塞队列的七种实现

=========

• ArrayBlockingQueue：由数组构成的有界阻塞队列。

• LinkedBlockingQueue：由链表构成的界限可选的阻塞队列，如不指定边界，则为Integer.MAX_VALUE。

• PriorityBlockingQueue：支持优先级排序【类似于PriorityQueue的排序规则】的无界阻塞队列。

• DelayQueue：支持延迟获取元素的无界阻塞队列。

• SynchronousQueue：不存储元素的阻塞队列，每个插入的操作必须等待另一个线程进行相应的删除操作，反之亦然。

另外BlockingQueue有两个继承子接口，分别是：TransferQueue和BlockingDeque，他们有各自的实现类：

• LinkedTransferQueue：由链表组成的无界TransferQueue。

• LinkedBlockingDeque：由链表构成的界限可选的双端阻塞队列，如不指定边界，则为Integer.MAX_VALUE。

BlockingDeque比较好理解一些，支持双端操作嘛，TransferQueue又是个啥玩意呢？

TransferQueue和BlockingQueue的区别

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BlockingQueue：当生产者向队列添加元素但队列已满时，生产者会被阻塞；当消费者从队列移除元素但队列为空时，消费者会被阻塞。

TransferQueue则更进一步，生产者会一直阻塞直到所添加到队列的元素被某一个消费者所消费（不仅仅是添加到队列里就完事）。新添加的transfer方法用来实现这种约束。顾名思义，阻塞就是发生在元素从一个线程transfer到另一个线程的过程中，它有效地实现了元素在线程之间的传递（以建立Java内存模型中的happens-before关系的方式）。

并发编程网： Java 7中的TransferQueue

1、ArrayBlockingQueue

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ArrayBlockingQueue是由数组构成的有界阻塞队列，支持FIFO的次序对元素进行排序。

这是一个典型的有界缓冲结构，可指定大小存储元素，供生产线程插入，供消费线程获取，但注意，容量一旦指定，便不可修改。

队列空时尝试take操作和队列满时尝试put操作都会阻塞执行操作的线程。

该类还支持可供选择的公平性策略，ReentrantLock可重入锁实现，默认采用非公平策略，当队列可用时，阻塞的线程都可以争夺访问队列的资格。

// 创建采取公平策略且规定容量为10 的ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue queue = new ArrayBlockingQueue<>(10, true);

2、LinkedBlockingQueue

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LinkedBlockingQueue是由链表构成的界限可选的阻塞队列，如不指定边界，则为Integer.MAX_VALUE,因此如不指定边界，一般来说，插入的时候都会成功。

LinkedBlockingQueue支持FIFO先进先出的次序对元素进行排序。

public LinkedBlockingQueue() {

this(Integer.MAX_VALUE);

}

public LinkedBlockingQueue(int capacity) {

if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();

this.capacity = capacity;

last = head = new Node(null);

}

3、PriorityBlockingQueue

===========================

PriorityBlockingQueue是一个支持优先级的无界阻塞队列，基于数组的二叉堆，其实就是线程安全的PriorityQueue。

默认情况下元素采取自然顺序升序排列，也可以自定义类实现compareTo()方法来指定元素排序规则，或者初始化PriorityBlockingQueue时，指定构造参数Comparator来对元素进行排序。

需要注意的是如果两个对象的优先级相同（compare 方法返回 0），此队列并不保证它们之间的顺序。

PriorityBlocking可以传入一个初始容量，其实也就是底层数组的最小容量，之后会使用grow扩容。

// 这里传入10是初始容量，之后会扩容啊，无界的~ ， 后面参数可以传入比较规则，可以用lambda表达式哦

PriorityQueue priorityQueue = new PriorityQueue<>(10, new Comparator() {

@Override

public int compare (Integer o1, Integer o2) {

return 0;

}

});

4、DelayQueue

================

DelayQueue是一个支持延时获取元素的无界阻塞队列，使用PriorityQueue来存储元素。

队中的元素必须实现Delayed接口【Delay接口又继承了Comparable，需要实现compareTo方法】，每个元素都需要指明过期时间，通过getDelay(unit)获取元素剩余时间【剩余时间 = 到期时间 - 当前时间】。

当从队列获取元素时，只有过期的元素才会出队列。

static class DelayedElement implements Delayed {

private final long delayTime; // 延迟时间

private final long expire; // 到期时间

private final String taskName; // 任务名称

public DelayedElement (long delayTime, String taskName) {

this.delayTime = delayTime;

this.taskName = taskName;

expire = now() + delayTime;

}

// 获取当前时间

final long now () {

return System.currentTimeMillis();

}

// 剩余时间 = 到期时间 - 当前时间

@Override

public long getDelay (TimeUnit unit) {

return unit.convert(expire - now(), TimeUnit.MILLISECONDS);

}

// 靠前的元素是最快过期的元素

@Override

public int compareTo (Delayed o) {

return (int) (getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS) - o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS));

}

}

5、SynchronousQueue

======================

SynchronousQueue是一个不存储元素的阻塞队列，每个插入的操作必须等待另一个线程进行相应的删除操作，反之亦然，因此这里的Synchronous指的是读线程和写线程需要同步，一个读线程匹配一个写线程。

你不能在该队列中使用peek方法，因为peek是只读取不移除，不符合该队列特性，该队列不存储任何元素，数据必须从某个写线程交给某个读线程，而不是在队列中等待倍消费,非常适合传递性场景。

SynchronousQueue的吞吐量高于LinkedBlockingQueue和ArrayBlockingQueue。

该类还支持可供选择的公平性策略，默认采用非公平策略，当队列可用时，阻塞的线程都可以争夺访问队列的资格。

public SynchronousQueue() {

this(false);

}

// 公平策略使用TransferQueue 实现， 非公平策略使用TransferStack 实现

public SynchronousQueue(boolean fair) {

transferer = fair ? new TransferQueue() : new TransferStack();

}

6、LinkedTransferQueue

=========================

LinkedTransferQueue是由链表组成的无界TransferQueue，相对于其他阻塞队列，多了tryTransfer和transfer方法。

TransferQueue：生产者会一直阻塞直到所添加到队列的元素被某一个消费者所消费（不仅仅是添加到队列里就完事）。新添加的transfer方法用来实现这种约束。顾名思义，阻塞就是发生在元素从一个线程transfer到另一个线程的过程中，它有效地实现了元素在线程之间的传递（以建立Java内存模型中的happens-before关系的方式）。

7、LinkedBlockingDeque

=========================

LinkedBlockingDeque是由链表构成的界限可选的双端阻塞队列，支持从两端插入和移除元素，如不指定边界，则为Integer.MAX_VALUE。

阻塞队列的实现机制

=============

本文不会过于详尽地解析每个阻塞队列源码实现，但会总结通用的阻塞队列的实现机制。

以阻塞队列接口BlockingQueue为例，我们以其中新增的阻塞相关的两个方法为主要解析对象，put和take方法。

• put：如果队列已满，生产者线程便一直阻塞，直到队列不满。

• take：如果队列已空，消费者线程便开始阻塞，直到队列非空。

其实我们之前在学习Condition的时候已经透露过一些内容，这里利用ReentrantLock实现锁语义，通过锁关联的condition条件队列来灵活地实现等待通知机制。

之前已经详细地学习过：Java并发包源码学习系列：详解Condition条件队列、signal和await

public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {

if (capacity <= 0)

throw new IllegalArgumentException();

this.items = new Object[capacity];

// 初始化ReentrantLock

lock = new ReentrantLock(fair);

// 创建条件对象

notEmpty = lock.newCondition();

notFull = lock.newCondition();

}

put方法

=========

public void put(E e) throws InterruptedException {

// 不能加null 啊

checkNotNull(e);

final ReentrantLock lock = this.lock;

最后

自我介绍一下，小编13年上海交大毕业，曾经在小公司待过，也去过华为、OPPO等大厂，18年进入阿里一直到现在。

深知大多数Java工程师，想要提升技能，往往是自己摸索成长，自己不成体系的自学效果低效漫长且无助。

因此收集整理了一份《2024年Java开发全套学习资料》，初衷也很简单，就是希望能够帮助到想自学提升又不知道该从何学起的朋友，同时减轻大家的负担。

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由于文件比较大，这里只是将部分目录截图出来，每个节点里面都包含大厂面经、学习笔记、源码讲义、实战项目、讲解视频，并且会持续更新！
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