并发容器(一) — 综述

一、概述

在开发过程中，经常会使用到一些数据结构，如散列表(HashMap)、队列(Queue)等，但是有一部分数据结构是线程不安全的，即在并发场景下，数据的获取和存储会出现问题。

为了解决这种问题，JDK提供了几个并发安全的数据结构，如下图所示：

由上图可知，JDK中提供的并发容器有：

1. ConcurrentHashMap：分片加锁实现高性能散列表。
2. ConcurrentLinkedQueue：采用CAS算法实现的非阻塞队列。
3. BlockingQueue：使用锁对象实现的阻塞队列。

实现一个线程安全的队列有两种方式：

1. 方式1：使用阻塞算法，使用阻塞算法的队列可以用一个锁（入队和出队用同一把锁）或两个锁（入队和出队用不同的锁）等方式来实现。
2. 方式2：使用非阻塞算法 (CAS)。非阻塞的实现方式是使用循环CAS的方式来实现。

ConcurrentHashMap、ConcurrentLinkedQueue 将单独介绍。本文主要讲解几种阻塞队列(BlockingQueue )的特点。

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二、阻塞队列的基本操作

阻塞队列（BlockingQueue）是一个支持两个附加操作的队列，这两个操作支持阻塞的插入和移除方法。

1. 支持阻塞的插入方法：当队列满时，队列会阻塞插入元素的线程，直到队列不满的状态。
2. 支持阻塞的移除方法：当队列为空时，获取元素的线程会一致等待队列变为非空的状态。

阻塞队列的应用场景：

阻塞队列常用于生产者和消费者的场景，生产者是向队列里添加元素的线程，消费者是
从队列里取元素的线程。阻塞队列就是生产者用来存放元素、消费者用来获取元素的容器。

阻塞队列内提供了4中 API 处理方式，如下图所示：

1. 抛出异常：
   1. add(e)：当队列满时，如果往队列里插入元素，会抛异常。
   2. remove()：当队列空时，如果从队列里获取元素，会抛出异常。
   3. element()：当队列空时，如果从队列里获取元素，会抛出异常。
2. 返回特殊值：
   1. offer(e)：当队列满时，如果往队列里插入元素，会返回 false 表示插入失败。
   2. poll()：当队列空时，如果从队列里获取元素，会返回 null。
   3. peek()：当队列空时，如果从队列里获取元素，会返回 null。
3. 一直阻塞：
   1. put(e)：当队列满时，如果往队列里插入元素，队列会阻塞当前线程，直到队列可用或者响应中断退出。
   2. take()：当队列空时，如果从队列里获取元素，队列会阻塞当前线程，直到队列不为空。
4. 超时退出：
   1. offer(time, unit)： 当队列满时，如果往队列里插入元素，队列会阻塞当前线程一段时间，如果超过了指定的时间，当前线程就会退出。
   2. poll(time, unit)：当队列空时，如果从队列里获取元素，队列会阻塞当前线程一段时间，如果超过了指定的时间，当前线程就会退出。

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三、几种常见的阻塞队列

JDK1.7 提供了7个阻塞队列：

1. ArrayBlockingQueue：一个由数组结构组成的有界阻塞队列。
2. LinkedBlockingQueue：一个由链表结构组成的有界阻塞队列。
3. PriorityBlockingQueue：一个支持优先级排序的无界阻塞队列。
4. DelayQueue：一个使用优先级队列实现的无界阻塞队列。
5. SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列。
6. LinkedTransferQueue：一个由链表结构组成的无界阻塞队列。
7. LinkedBlockingDeque：一个由链表结构组成的双向阻塞队列。

1. ArrayBlockingQueue

1. ArrayBlockingQueue 是一个用数组实现的有界阻塞队列。此队列按照先进先出（FIFO）的原则对元素进行排序。
2. 默认情况下使用非公平锁进行队列访问 (公平锁会降低吞吐量)。

2. LinkedBlockingQueue

1. LinkedBlockingQueue 是一个用链表实现的有界阻塞队列。此队列按照先进先出的原则对元素进行排序。
2. 此队列的默认和最大长度为Integer.MAX_VALUE。

3. PriorityBlockingQueue

1. PriorityBlockingQueue 是一个支持优先级的无界阻塞队列。
2. 默认情况下元素采取自然顺序升序排列。
3. 支持自定义类实现compareTo()方法来指定元素排序规则。
4. 同优先级元素，PriorityBlockingQueue不能保证其顺序。

4. DelayQueue

1. DelayQueue 是一个支持延时获取元素的无界阻塞队列。队列使用PriorityQueue来实现。
2. 队列中的元素必须实现Delayed接口，在创建元素时可以指定多久才能从队列中获取当前元素。
3. 只有在延迟期满时才能从队列中提取元素。

DelayQueue 的应用场景：

1. 缓存系统的设计：可以用DelayQueue保存缓存元素的有效期，使用一个线程循环查询DelayQueue，一旦能从DelayQueue中获取元素时，表示缓存有效期到了。
2. 定时任务调度：使用DelayQueue保存当天将会执行的任务和执行时间，一旦从DelayQueue中获取到任务就开始执行。

5. SynchronousQueue

1. SynchronousQueue 是一个不存储元素的阻塞队列。
2. 每一个put操作必须等待一个take操作，否则不能继续添加元素。
3. 默认情况下线程采用非公平性策略访问队列。

优势： SynchronousQueue 的吞吐量高于 LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue。

6. LinkedTransferQueue

LinkedTransferQueue 是一个由链表结构组成的无界阻塞TransferQueue队列。

7. LinkedBlockingDeque

1. LinkedBlockingDeque 是一个由链表结构组成的双向阻塞队列。
   双向队列：指可以从队列的两端插入和移出元素。
2. 双向阻塞队列可以运用在 工作窃取 模式中。

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四、阻塞队列的实现原理

如果队列是空的，消费者会一直等待，当生产者添加元素时，消费者是如何知道当前队列
有元素的呢？

可以使用 Condition 接口的等待通知模式来实现。具体请参考：Lock(五) — LockSupport 和 Condition接口