JUC 队列

常见的阻塞队列

Queue接口

public interface Queue<E> extends Collection<E> {//添加一个元素，添加成功返回true, 如果队列满了，就会抛出异常boolean add(E e);//添加一个元素，添加成功返回true, 如果队列满了，返回falseboolean offer(E e);//返回并删除队首元素，队列为空则抛出异常E remove();//返回并删除队首元素，队列为空则返回nullE poll();//返回队首元素，但不移除，队列为空则抛出异常E element();//获取队首元素，但不移除，队列为空则返回nullE peek();}

BlockingQueue 接口

public interface BlockingQueue<E> extends Queue<E> {// 入队  add offer put //添加一个元素，添加成功返回true, 如果队列满了，就会抛出异常boolean add(E e);   //如果队列没满，返回true，如果队列已满，返回false（不阻塞）boolean offer(E e);//队列没满的时候是正常的插入，如果队列已满，则阻塞，直至队列空出位置void put(E e) throws InterruptedException;//可以设置阻塞时间，如果队列已满，则进行阻塞。超过阻塞时间，则返回falseboolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException;//出队 take poll remove//可以设置阻塞时间，如果没有数据，则阻塞，超过阻塞时间，则返回nullE take() throws InterruptedException;//如果有数据，出队，如果没有数据，返回null   （不阻塞）E poll(long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException;//返回并删除队首元素，队列为空则抛出异常boolean remove(Object o);
}

ArrayBlockingQueue 队列

• ArrayBlockingQueue是最典型的有界阻塞队列，其内部是用数组存储元素的，初始化时需要指定容量大小，利用ReentrantLock 实现线程安全。

• 在生产者-消费者模型中使用时，如果生产速度和消费速度基本匹配的情况下，使用ArrayBlockingQueue是个不错选择；当如果生产速度远远大于消费速度，则会导致队列填满，大量生产线程被阻塞。

• 使用独占锁ReentrantLock实现线程安全，入队和出队操作使用同一个锁对象，也就是只能有一个线程可以进行入队或者出队操作；这也就意味着生产者和消费者无法并行操作，在高并发场景下会成为性能瓶颈。

重要方法

这里主要讲解阻塞方法

    //队列没满的时候是正常的插入，如果队列已满，则阻塞，直至队列空出位置void put(E e) throws InterruptedException;//可以设置阻塞时间，如果队列已满，则进行阻塞。超过阻塞时间，则返回falseboolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException;//出队 take poll remove//可以设置阻塞时间，如果没有数据，则阻塞，超过阻塞时间，则返回nullE take() throws InterruptedException;//如果有数据，出队，如果没有数据，返回null   （不阻塞）E poll(long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException;

基础属性

     //数据元素数组final Object[] items;//下一个待取出元素索引int takeIndex;//下一个待添加元素索引int putIndex;//数组大小int count;//内部锁final ReentrantLock lock;//消费者 等待private final Condition notEmpty;//生产者 等待private final Condition notFull;public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {if (capacity <= 0)throw new IllegalArgumentException();this.items = new Object[capacity]; //创建 capacity 大小的数组lock = new ReentrantLock(fair);//创建内部锁 fair = false 非公平锁 fair = true 公平锁notEmpty = lock.newCondition();notFull =  lock.newCondition();}

put 方法

public void put(E e) throws InterruptedException {checkNotNull(e);//校验元素e 是否为空final ReentrantLock lock = this.lock; //获取内部锁，创建队列时，已经初始化过内部锁lock.lockInterruptibly();//加锁，如果线程中断抛出异常 try {//阻塞队列已满，则将生产者挂起，等待消费者唤醒//设计注意点： 用while不用if是为了防止虚假唤醒while (count == items.length)notFull.await();//生产者线程等待// 入队enqueue(e);} finally {//释放锁lock.unlock();}}

enqueue 方法

 private void enqueue(E x) {// assert lock.getHoldCount() == 1;// assert items[putIndex] == null;final Object[] items = this.items;//获取数组//入队 使用的putIndex 入队items[putIndex] = x;if (++putIndex == items.length) //如果putIndex 等于数组大小 putIndex = 0; //putIndex 指向下标为0 的位置 这里会构建一个环形数组count++; 数组大小 +1notEmpty.signal(); //notEmpty条件队列转同步队列，准备唤醒消费者线程，因为入队了一个元素，肯定不为空了}

这里入队满了以后为什么要设置成环形数组？

从图片中可以看出环形数组可以让队列出队的复杂度从O(n) 变为 O(1)

task 方法

public E take() throws InterruptedException {final ReentrantLock lock = this.lock; //获得内部锁lock.lockInterruptibly();//加锁，如果线程中断抛出异常 try {while (count == 0)//如果队列大小为0  则阻塞消费者线程notEmpty.await();return dequeue();//出队} finally {lock.unlock();//解锁 唤醒生产者线程}}

dequeue 方法

private E dequeue() {// assert lock.getHoldCount() == 1;// assert items[takeIndex] != null;final Object[] items = this.items; //获得队列数组@SuppressWarnings("unchecked")E x = (E) items[takeIndex];//通过takeIndex 下标 取出任务 这里实现了数组的先进先出 items[takeIndex] = null;if (++takeIndex == items.length)takeIndex = 0;//环形数组，takeIndex 指针到数组尽头了，返回头部count--;//数组大小-1if (itrs != null)itrs.elementDequeued();notFull.signal();//notFull条件队列转同步队列，准备唤醒生产者线程，此时队列有空位return x;}

LinkedBlockingQueue 队列

• LinkedBlockingQueue是一个基于链表实现的阻塞队列，默认情况下，该阻塞队列的大小Integer.MAX_VALUE，由于这个数值特别大，所以LinkedBlockingQueue也被称作无界队列，代表它几乎没有界限，队列可以随着元素的添加而动态增长，但是如果没有剩余内存，则队列将抛出OOM错误。所以为了避免队列过大造成机器负载或者内存爆满的情况出现，我们在使用的时候建议手动传一个队列的大小。
• LinkedBlockingQueue内部由单链表实现，只能从head取元素，从tail添加元素。LinkedBlockingQueue采用两把锁的锁分离技术实现入队出队互不阻塞，添加元素和获取元素都有独立的锁，也就是说LinkedBlockingQueue是读写分离的，读写操作可以并行执行。

基础属性

// 容量,指定容量就是有界队列
private final int capacity;
// 元素数量
private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();
// 链表头  本身是不存储任何元素的，初始化时item指向null
transient Node<E> head;
// 链表尾
private transient Node<E> last;
// take锁   锁分离，提高效率 读锁
private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();
// notEmpty条件
// 当队列无元素时，take锁会阻塞在notEmpty条件上，等待其它线程唤醒
private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();
// put锁 写锁
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();
// notFull条件
// 当队列满了时，put锁会会阻塞在notFull上，等待其它线程唤醒
private final Condition notFull = putLock.newCondition();//典型的单链表结构
static class Node<E> {E item;  //存储元素Node<E> next;  //后继节点    单链表结构Node(E x) { item = x; }
}
public LinkedBlockingQueue() {// 如果没传容量，就使用最大int值初始化其容量this(Integer.MAX_VALUE);
}public LinkedBlockingQueue(int capacity) {if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();this.capacity = capacity;// 初始化head和last指针为空值节点last = head = new Node<E>(null);
}

put 方法

public void put(E e) throws InterruptedException {if (e == null) throw new NullPointerException();//入队元素为空 抛异常// Note: convention in all put/take/etc is to preset local var// holding count negative to indicate failure unless set.int c = -1;Node<E> node = new Node<E>(e); //创建node 节点final ReentrantLock putLock = this.putLock; //获取内部锁 也就是写锁final AtomicInteger count = this.count; //链表大小，这里AtomicInteger 保证原子性putLock.lockInterruptibly(); try {// 如果队列满了，就阻塞在notFull上等待被其它线程唤醒（阻塞生产者线程）while (count.get() == capacity) {notFull.await();}enqueue(node);//入队c = count.getAndIncrement();//链表大小+1// 如果现队列长度小于容量，notFull条件队列转同步队列，准备唤醒一个阻塞在notFull条件上的线程(可以继续入队) // 因为可能有很多线程阻塞在notFull这个条件上,而取元素时只有取之前队列是满的才会唤醒notFull,此处不用等到取元素时才唤醒if (c + 1 < capacity) notFull.signal();} finally {putLock.unlock();//真正唤醒生产者线程}// 如果原队列长度为0，现在加了一个元素后立即唤醒阻塞在notEmpty上的线程 if (c == 0)signalNotEmpty();}private void enqueue(Node<E> node) {// assert putLock.isHeldByCurrentThread();// assert last.next == null;last = last.next = node;//添加到链表的尾端 last 的下一个节点}private void signalNotEmpty() {final ReentrantLock takeLock = this.takeLock; takeLock.lock();// 获得 take锁try {  notEmpty.signal();// notEmpty条件队列转同步队列，准备唤醒阻塞在notEmpty上的线程} finally {takeLock.unlock();  // 真正唤醒消费者线程}

take 方法

 public E take() throws InterruptedException {E x;int c = -1;final AtomicInteger count = this.count;//链表大小final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;//获得 读锁takeLock.lockInterruptibly();try {//如果队列无元素 则消费者线程 阻塞在notEmpty 上while (count.get() == 0) {notEmpty.await();}x = dequeue();//出队c = count.getAndDecrement(); //队列元素减1 返回原值if (c > 1) // 如果取之前队列长度大于1，notEmpty条件队列转同步队列，准备唤醒阻塞在notEmpty上的线程，原因与入队同理notEmpty.signal();} finally {takeLock.unlock();// 真正唤醒消费者线程}// 为什么队列是满的还唤醒阻塞在notFull上的线程呢？// 因为唤醒是需要加putLock的，这是为了减少锁的次数,所以，这里索性在放完元素就检测一下，未满就唤醒其它notFull上的线程,// 这也是锁分离带来的代价// 如果取之前队列长度等于容量（已满），则唤醒阻塞在notFull的线程if (c == capacity)signalNotFull();return x;}private E dequeue() {// assert takeLock.isHeldByCurrentThread();// assert head.item == null;Node<E> h = head; //获取头节点 head节点本身是不存储任何元素的Node<E> first = h.next;//获取头节点的下一个节点，这里的节点存储元素h.next = h; // help GC //断开原head jvm 回收 head = first; //将原头节点的下一个节点置为头节点E x = first.item; //取出节点元素first.item = null; 节点置空return x;}private void signalNotFull() {final ReentrantLock putLock = this.putLock;//获取写锁 只有获得写锁才能 唤醒notFull 等待队列里面的线程putLock.lock();try {notFull.signal(); //将notFull 等待队列同步至同步队列中} finally {putLock.unlock();//真正唤醒写线程}}

DelayQueue 队列

DelayQueue 是一个支持延时获取元素的阻塞队列， 内部采用优先队列 PriorityQueue 存储元素，同时元素必须实现Delaye 接口；在创建元素时可以指定多久才可以从队列中获取当前元素，只有在延迟期满时才能从队列中提取元素。延迟队列的特点是：不是先进先出，而是会按照延迟时间的长短来排序，下一个即将执行的任务会排到队列的最前面。

DelayQueue 是无界队列，放入的元素必须实现 Delayed 接口，而 Delayed 接口又继承了 Comparable 接口，所以自然就拥有了比较和排序的能力。

public interface Delayed extends Comparable<Delayed> {//getDelay 方法返回的是“还剩下多长的延迟时间才会被执行”，//如果返回 0 或者负数则代表任务已过期。//元素会根据延迟时间的长短被放到队列的不同位置，越靠近队列头代表越早过期。//使用时需要实现该方法 与当前时间做比较long getDelay(TimeUnit unit);
}
// ScheduledThreadPoolExecutor 该线程池 就实现该方法起到延时的作用public long getDelay(TimeUnit unit) {return unit.convert(time - now(), NANOSECONDS);
}

基础属性

//用于保证队列操作的线程安全
private final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
// 优先级队列,存储元素，用于保证延迟低的优先执行
private final PriorityQueue<E> q = new PriorityQueue<E>();
// 用于标记当前是否有线程在排队（仅用于取元素时） leader 指向的是第一个从队列获取元素阻塞的线程
private Thread leader = null;
// 条件，用于表示现在是否有可取的元素   当新元素到达，或新线程可能需要成为leader时被通知
private final Condition available = lock.newCondition();public DelayQueue() {}
public DelayQueue(Collection<? extends E> c) {this.addAll(c);
}    

put 方法

public void put(E e) {offer(e);
}
public boolean offer(E e) {final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lock();try {// 入队q.offer(e);if (q.peek() == e) {// 若入队的元素位于队列头部，说明当前元素延迟最小// 将 leader 置空leader = null;// available条件队列转同步队列,准备唤醒阻塞在available上的线程available.signal();}return true;} finally {lock.unlock(); // 解锁，真正唤醒阻塞的线程}
}

take 方法

public E take() throws InterruptedException {final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lockInterruptibly();try {for (;;) {E first = q.peek();// 取出堆顶元素   if (first == null)// 如果堆顶元素为空，说明队列中还没有元素，直接阻塞等待available.await();else {long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);// 堆顶元素的到期时间             if (delay <= 0)// 如果小于0说明已到期，直接调用poll()方法弹出堆顶元素return q.poll();// 如果delay大于0 ，则下面要阻塞了// 将first置为空方便gcfirst = null; // 如果前面有其它线程在等待，直接进入等待if (leader != null)available.await();else {// 如果leader为null，把当前线程赋值给它Thread thisThread = Thread.currentThread();leader = thisThread;try {// 等待delay时间后自动醒过来// 醒过来后把leader置空并重新进入循环判断堆顶元素是否到期// 这里即使醒过来后也不一定能获取到元素// 因为有可能其它线程先一步获取了锁并弹出了堆顶元素// 条件锁的唤醒分成两步，先从Condition的队列里出队// 再入队到AQS的队列中，当其它线程调用LockSupport.unpark(t)的时候才会真正唤醒available.awaitNanos(delay);} finally {// 如果leader还是当前线程就把它置为空，让其它线程有机会获取元素if (leader == thisThread)leader = null;}}}}} finally {// 成功出队后，如果leader为空且堆顶还有元素，就唤醒下一个等待的线程if (leader == null && q.peek() != null)// available条件队列转同步队列,准备唤醒阻塞在available上的线程available.signal();// 解锁，真正唤醒阻塞的线程lock.unlock();}