Java线程安全的集合之队列
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一、Queue概要
1. 队列概述
Collection的子接口。表示队列FIFO(First In First Out)；队列是一种特殊的线性表，它只允许在表的前端进行删除操作，而在表的后端进行插入操作。
Java 1.8 API :
队列通常（但不一定）以 FIFO（先出先出）的方式对元素排序。例外情况包括优先级队列，这些队列根据提供的比较器对元素进行排序，或者元素的自然排序，以及对元素 LIFO（最后一个先出）排序的 LIFO 队列（或堆栈）。无论使用何种顺序，队列的主管都是该元素，该元素将通过调用
remove()或poll()删除。在 FIFO 队列中，所有新元素都插入到队列的尾部。其他类型的队列可能使用不同的放置规则。每个实现都必须指定其排序属性。
2. 常用方法：
这些方法中的每一种都有两种形式：如果操作失败，则抛出一个异常，另一种返回一个特殊值（ null或false ，具体取决于操作）。
- 1.抛出异常
| 方法 | 描述 |
|---|---|
boolean add (E e) |
顺序添加一个元素（到达上限后，再添则会抛出异常） |
E remove() |
获得第一个元素并移除（如果队列没有元素时，则抛出异常） |
E element() |
获得第一个元素但不移除（如果队列没有元素时，则会抛出异常） |
- 2.返回特殊值：推荐使用
| 方法 | 描述 |
|---|---|
boolean offer(E e) |
顺序添加一个元素（到达上限后 ，再添加则会返回fals） |
E poll() |
获得第一个元素并移除（如果队列没有元素时，则返回null） |
E peek() |
获得第一元素但不移除（如果队列没有元素时，则返回null） |
二、Queue接口的继承接口和实现类
所有已知的实现类
1. ConcurrentLinkedQueue接口
&emsp；基于链接节点的无界线程安全队列。此队列订购元素 FIFO（先出先）。队列的头部是队列中时间最长的元素。队列的尾部是队列中时间最短的元素。新元素插入到队列的尾部，队列检索操作获取队列头处的元素。当许多线程共享对公共集合的访问时，ConcurrentLinkedQueue是适当的选择。与大多数其他并发集合实现一样，此类不允许使用null元素。
- Java编程中，线程安全、可高效读写的队列。高并发下性能最好的队列。
一般来说，线程安全都必须加锁，而加锁就不支持高并发，进而无法实现高效率，但是对于ConcurrentLinkedQueue而言，两者兼备，怎么做到的呢？那就是它的线程安全不是通过锁实现的！
1.1 没有锁也能保证线程安全？
ConcurrentLinkedQueue是无锁的，使用的是CAS比较交换算法，修改的方法包括三个核心参数（V、E、N）- CAS比较交换算法频繁的使用于操作系统之中，对内存进行管理的时候一般不会通过加锁包保证线程安全（效率低），而是使用这种高效的方式保证线程安全。
1.2 CAS算法简介：
比较交换算法：该算法将存储器位置的内容与给定值进行比较，并且只有它们相同时，才将该存储器位置的内容修改为给定的新值。这是作为单个原子操作完成的。原子性保证了新值是根据最新信息计算出来的; 如果在此期间该值已被另一个线程更新，则写入将失败。操作的结果必须表明它是否进行了替换; 这可以通过简单的布尔响应（此变体通常称为比较和设置），或通过返回从内存位置读取的值（而不是写入它的值）来完成。
CAS操作有3个参数：
V：待更新的变量
E：预期值
N：新值
概念实在读不懂…不用着急，有举例
看图说话：
这里海绵宝宝和狗仔为两个线程，美眉是操作系统，两个线程准备往数组下标为4的位置存值；海绵宝宝准备存"D"，而狗仔需要存"d"，于是两个人需要问一下美眉4号是不是为null(null为两个线程的预期值)，如果与线程的预期值一致，两个人分别开始往里面存值；
存值一定有先后(谁先拿到OS的时间片谁先执行本线程，这里类比到达的先后)，若海绵宝宝先到达，发现与预期的一样，里面是null，于是把"D"存进数组的下标4的地方；那么对于狗仔说，当他到达准备放入"d"时，发现预期值变了，不是null，很难过的回家了，记住了里面的值之后，再次询问美眉，4号里面是"D"吗？美眉说“是！”，当狗仔到达后发现4号里的值与预期的一样，因此，就把"D"替换成了"d"，如果还不是，继续循环下去；
即：
- 当只有
V==E时，V=N；否则表示已经被更新过，则取消当前操作； - 整个过程没有锁，但是改变值的最终只有一个线程，保证了线程的安全性；
1.3 源码
对于CAS算法这部分的源码是无法看到的，这部分源码被包含在了一个Java没有公开开源的底层源码，是用其他语言写的，读者可以通过其他渠道获取（openJDK论坛）；
1.4 使用
public static void main(String[] args){
Queue<String> queue = new ConcurrentLinkedQueue<String>();
queue.offer("A"); //插入"A"
queue.offer("B");//插入"B"
queue.poll();//删除"A"
queue.poll();//获得"B"
}
2. BlockingQueue接口
2.1 方法
基本方法
| 抛出异常 | 特殊值 | 阻塞 | 超时 | |
|---|---|---|---|---|
| 添加 | add(e) |
offer(e) |
put(e) |
offer(e, time, unit) |
| 删除 | remove() |
poll() |
take() |
poll(time, unit) |
| 检查 | element() |
peek() |
不可用 | 不可用 |
无限期等待方法
| 方法 | 描述 |
|---|---|
void put(E e) |
将指定元素插入此队列中，如果没有可用空间，则等待 |
E take() |
获取并移除此队列头部元素，如果没有可用元素，增等待 |
2.2 生产者消费者模式
通过常用方法我们可以了解到这是一种生产者和消费者模式，一个存一个取，因此该接口的一大特点是
- 可以解决生产者、消费者问题
关于生产者消费者模式类比如下图；详细介绍戳下面的链接：
2.3 BlockingQueue实现类
以下实现类的方法与接口用法相似；
ArrayBlockingQueue
- 数组结构实现，有界队列（用户手动固定上限）
public class TestQueue {
public static void main(String[] args){
BlockingQueue<String> objects = new ArrayBlockingQueue<String>(10);//接口引用指向实现类对象
}
LinkedBlockingQueue
- 链表结构实现，无界队列。（默认上限
Integer.MAX_VALUE）
public class TestQueue {
public static void main(String[] args){
BlockingQueue<String> objects = new ArrayBlockingQueue<String>();//接口引用指向实现类对象
}
三、线程安全的集合总结
CopyOnWriteArrayList：线程安全的ArrayList
CopyOnWriteArraySet : 线程安全的Set
ConcurrentHashMap: 线程安全的HashMap
ConcurrentLinkedQueue: 线程安全的Queue
