一、队列

队列是一种特殊的线性表，特殊之处在于它只允许在表的前端 (front) 进行删除操作，而在表的后端 (rear) 进行插入操作。和栈一样，队列是一种操作受限制的线性表，进行插入操作的端称为队尾,，进行删除操作的端称为对头.

在队列中插入一个队列元素称为入队，从队列中删除一个队列元素称为出队。因为队列只允许在一端插入，在另一端删除，所以只有最早进入队列的元素才能最先从队列中删除，故队列又称为先进先出 (FIFO - first in first out) 线性表

二、阻塞队列

阻塞队列（BlockingQueue）是一个支持两个附加操作的队列。这两个附加的操作是：

在队列为空时，获取元素的线程阻塞等待队列变为非空

当队列满时，存储元素的线程阻塞等待队列可用

阻塞队列常用于生产者和消费者的场景，生产者是往队列里添加元素的线程，消费者是从队列里拿元素的线程。阻塞队列就是生产者存放元素的容器，而消费者也只从容器里拿元素

BlockingQueue接口继承关系图

BlockingQueue接口实现类

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.SynchronousQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class BlockQueueTest {
    public static void main(String[] args) {
        BlockingQueue blockingQueue = new SynchronousQueue();

        new Thread(()->{
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " put 1");
                blockingQueue.put("1");

                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " put 2");
                blockingQueue.put("2");

                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " put 3");
                blockingQueue.put("3");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        },"T1").start();


        new Thread(()->{
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" take " + blockingQueue.take());

                TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" take " + blockingQueue.take());

                TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" take " + blockingQueue.take());
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        },"T2").start();
    }
}

输出

T1 put 1
T2 take 1
T1 put 2
T2 take 2
T1 put 3
T2 take 3

（一）阻塞队列BlockingQueue 四种处理方式

方法/处理方式	抛出异常	返回特殊值	一直阻塞	超时退出
插入方法	add(E)	offer(E)	put(E)	offer(E, long, TimeUnit)
移除方法	remove()	poll()	take()	poll(long, TimeUnit)
检查方法	element()	peek()	不可用	不可用

真正体现了阻塞的两个方法就是 put(E) / take()

抛出异常
当队列满的时候, 如果再向队列中插入元素, 会抛出默认的 IllegalStateException 异常.
当队列为空时候, 如果再从队列中获取元素, 会抛出 NoSuchElementException 异常
返回特殊值
每次对队列执行插入操作, 会返回元素是否插入成功, 成功则返回 true.
如果是获取操作, 则是从队列中获取一个元素, 没有这个元素的话, 返回值为 null.
一直阻塞
当队列满的时候, 如果生产者线程继续向队列中 put 元素, 队列将会一直阻塞生产者线程, 直到队列可用或者响应中断退出.
当队列为 null 的时候, 如果消费者线程从队列中 take 元素, 队列会阻塞住消费者线程, 直到队列不为 null.
超时退出
当阻塞队列满时, 如果生产者线程继续向队列中插入元素, 队列会阻塞生产者线程一段时间, 如果超过了这个指定的时间, 生产者线程就会退出

1、抛出异常

当队列满的时候, 如果再向队列中插入元素, 会抛出默认的 IllegalStateException 异常.
当队列为空时候, 如果再从队列中获取元素, 会抛出 NoSuchElementException 异常

/**
     * 1、抛出异常
     * 当队列满的时候, 如果再向队列中插入元素, 会抛出默认的 IllegalStateException 异常.
     * 当队列为空时候, 如果再从队列中获取元素, 会抛出 NoSuchElementException 异常
     */
    public static void throwException(){
        BlockingQueue blockingQueue = new ArrayBlockingQueue(3);

        System.out.println(blockingQueue.add("a"));
        System.out.println(blockingQueue.add("b"));
        System.out.println(blockingQueue.add("c"));

        // java.lang.IllegalStateException: Queue full
        //System.out.println(blockingQueue.add("d"));

        // 获取队列首元素
        System.out.println(blockingQueue.element());

        System.out.println(blockingQueue.remove());
        System.out.println(blockingQueue.remove());
        System.out.println(blockingQueue.remove());

        // java.util.NoSuchElementException
        //System.out.println(blockingQueue.remove());
    }

true
true
true
a
a
b
c

add()方法

public abstract class AbstractQueue<E>
    extends AbstractCollection<E>
    implements Queue<E> {
    public boolean add(E e) {
        if (offer(e))
            return true;
        else
            throw new IllegalStateException("Queue full");
    }
}

remove()方法

public E remove() {
        E x = poll();
        if (x != null)
            return x;
        else
            throw new NoSuchElementException();
    }

2、返回特殊值

每次对队列执行插入操作, 会返回元素是否插入成功, 成功则返回 true.
如果是获取操作, 则是从队列中获取一个元素, 没有这个元素的话, 返回值为 null

/**
     * 2、返回特殊值
     * 每次对队列执行插入操作, 会返回元素是否插入成功, 成功则返回 true.
     * 如果是获取操作, 则是从队列中获取一个元素, 没有这个元素的话, 返回值为 null
     */
    public static void returnSpecial(){
        BlockingQueue blockingQueue = new ArrayBlockingQueue(3);

        System.out.println(blockingQueue.offer("a"));
        System.out.println(blockingQueue.offer("b"));
        System.out.println(blockingQueue.offer("c"));

        // 队列满了，返回false；不抛出异常
        System.out.println(blockingQueue.offer("d"));

        // 获取队列首元素
        System.out.println(blockingQueue.peek());

        System.out.println(blockingQueue.poll());
        System.out.println(blockingQueue.poll());
        System.out.println(blockingQueue.poll());

        // 队列为空，返回null；不抛出异常
        System.out.println(blockingQueue.poll());
    }

抛出异常 与 返回特殊值 方法的实现是一样的，只不过对失败的操作的处理不一样

通过 AbstractQueue 的源码可以发现，add(e),remove(),element() 都是分别基于 offer()，poll()，peek() 实现的

public boolean add(E arg0) {
		if (this.offer(arg0)) {
			return true;
		} else {
			throw new IllegalStateException("Queue full");
		}
	}
 
	public E remove() {
		Object arg0 = this.poll();
		if (arg0 != null) {
			return arg0;
		} else {
			throw new NoSuchElementException();
		}
	}
 
	public E element() {
		Object arg0 = this.peek();
		if (arg0 != null) {
			return arg0;
		} else {
			throw new NoSuchElementException();
		}
	}

    public boolean offer(E e) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            q.offer(e);
            // 如果原来队列为空，重置leader线程，通知available条件
            if (q.peek() == e) {
                leader = null;
                available.signal();
            }
            return true;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
 
    //因为DelayQueue不限制长度，因此添加元素的时候不会因为队列已满产生阻塞，因此带有超时的offer方法的超时设置是不起作用的
    public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) {
        // 和不带timeout的offer方法一样
        return offer(e);
    }


    public E poll() {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            E first = q.peek();
            if (first == null || first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) > 0)
                return null;
            else
                return q.poll();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

3、一直阻塞

当队列满的时候, 如果生产者线程继续向队列中 put 元素, 队列将会一直阻塞生产者线程, 直到队列可用或者响应中断退出
当队列为 null 的时候, 如果消费者线程从队列中 take 元素, 队列会阻塞住消费者线程, 直到队列不为 null

/**
     * 3、一直阻塞
     * 当队列满的时候, 如果生产者线程继续向队列中 put 元素, 队列将会一直阻塞生产者线程, 直到队列可用或者响应中断退出.
     * 当队列为 null 的时候, 如果消费者线程从队列中 take 元素, 队列会阻塞住消费者线程, 直到队列不为 null
     */
    public static void alwaysBlock() throws InterruptedException {
        BlockingQueue blockingQueue = new ArrayBlockingQueue(3);

        blockingQueue.put("a");
        blockingQueue.put("b");
        blockingQueue.put("c");

        // 程序一直等待
        blockingQueue.put("d");

        System.out.println(blockingQueue.take());
        System.out.println(blockingQueue.take());
        System.out.println(blockingQueue.take());

        // 程序一直等待
        System.out.println(blockingQueue.take());
    }

public void put(E e) throws InterruptedException {
        checkNotNull(e);
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == items.length)
                notFull.await();
            enqueue(e);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

public E take() throws InterruptedException {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == 0)
                notEmpty.await();
            return dequeue();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

4、超时退出

当阻塞队列满时, 如果生产者线程继续向队列中插入元素, 队列会阻塞生产者线程一段时间, 如果超过了这个指定的时间, 生产者线程就会退出

/**
     * 4、超时退出
     * 当阻塞队列满时, 如果生产者线程继续向队列中插入元素, 队列会阻塞生产者线程一段时间
     * 如果超过了这个指定的时间, 生产者线程就会退出
     */
    public static void overTimeQuit() throws InterruptedException {
        BlockingQueue blockingQueue = new ArrayBlockingQueue(3);

        blockingQueue.offer("a");
        blockingQueue.offer("b");
        blockingQueue.offer("c");

        // 队列满了，超时2S退出
        blockingQueue.offer("d", 2,TimeUnit.SECONDS);

        System.out.println(blockingQueue.poll());
        System.out.println(blockingQueue.poll());
        System.out.println(blockingQueue.poll());

        // 队列为空，超时2S退出
        System.out.println(blockingQueue.poll(2,TimeUnit.SECONDS));
    }

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

        checkNotNull(e);
        long nanos = unit.toNanos(timeout);
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == items.length) {
                if (nanos <= 0)
                    return false;
                nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
            }
            enqueue(e);
            return true;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        long nanos = unit.toNanos(timeout);
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == 0) {
                if (nanos <= 0)
                    return null;
                nanos = notEmpty.awaitNanos(nanos);
            }
            return dequeue();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

（二）BlockingQueue核心方法

public interface BlockingQueue<E> extends Queue<E> {
 
    //将给定元素设置到队列中，如果设置成功返回true, 否则抛出异常。如果是往限定了长度的队列中设置值，推荐使用offer()方法。
    boolean add(E e);
 
    //将给定的元素设置到队列中，如果设置成功返回true, 否则返回false. e的值不能为空，否则抛出空指针异常。
    boolean offer(E e);
 
    //将元素设置到队列中，如果队列中没有多余的空间，该方法会一直阻塞，直到队列中有多余的空间。
    void put(E e) throws InterruptedException;
 
    //将给定元素在给定的时间内设置到队列中，如果设置成功返回true, 否则返回false.
    boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException;
 
    //从队列中获取值，如果队列中没有值，线程会一直阻塞，直到队列中有值，并且该方法取得了该值。
    E take() throws InterruptedException;
 
    //在给定的时间里，从队列中获取值，如果没有取到会抛出异常。
    E poll(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException;
 
    //获取队列中剩余的空间。
    int remainingCapacity();
 
    //从队列中移除指定的值。
    boolean remove(Object o);
 
    //判断队列中是否拥有该值。
    public boolean contains(Object o);
 
    //将队列中值，全部移除，并发设置到给定的集合中。
    int drainTo(Collection<? super E> c);
 
    //指定最多数量限制将队列中值，全部移除，并发设置到给定的集合中。
    int drainTo(Collection<? super E> c, int maxElements);
}

（三）Java中七大阻塞队列

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

1、ArrayBlockingQueue

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。默认情况下不保证访问者公平的访问队列，所谓公平访问队列是指阻塞的所有生产者线程或消费者线程，当队列可用时，可以按照阻塞的先后顺序访问队列，即先阻塞的生产者线程，可以先往队列里插入元素，先阻塞的消费者线程，可以先从队列里获取元素。通常情况下为了保证公平性会降低吞吐量。我们可以使用以下代码创建一个公平的阻塞队列：

ArrayBlockingQueue fairQueue = new ArrayBlockingQueue(1000,true);

而对于其访问的公平性，是通过ReentrantLock锁来实现的。

2、linkedBlockingQueue

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

3、PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是一个支持优先级的无界队列。默认情况下元素采取自然顺序排列，也可以通过比较器comparator来指定元素的排序规则。元素按照升序排列。

4、DelayQueue

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。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。只有在延迟期满时才能从队列中提取元素。我们可以将DelayQueue运用在以下应用场景：

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。

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，从比如TimerQueue就是使用DelayQueue实现的。

如何实现Delayed接口

我们可以参考ScheduledThreadPoolExecutor里ScheduledFutureTask类。这个类实现了Delayed接口。首先：在对象创建的时候，使用time记录前对象什么时候可以使用，代码如下：

ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns, long period) {

super(r, result);

this.time = ns;

this.period = period;

this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement();

}

然后使用getDelay可以查询当前元素还需要延时多久，代码如下：

public long getDelay(TimeUnit unit) {

return unit.convert(time - now(), TimeUnit.NANOSECONDS);

}

通过构造函数可以看出延迟时间参数ns的单位是纳秒，自己设计的时候最好使用纳秒，因为getDelay时可以指定任意单位，一旦以纳秒作为单位，而延时的时间又精确不到纳秒就麻烦了。使用时请注意当time小于当前时间时，getDelay会返回负数。

最后我们可以使用time的来指定其在队列中的顺序,例如:让延时时间最长的放在队列的末尾。

public int compareTo(Delayed other) {

if (other == this)

return 0;

if (other instanceof ScheduledFutureTask) {

ScheduledFutureTask x = (ScheduledFutureTask)other;

long diff = time - x.time;

if (diff < 0)

return -1;

else if (diff > 0)

return 1;

else if (sequenceNumber < x.sequenceNumber)

return -1;

else

return 1;

}

long d = (getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS)-other.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS));

return (d == 0) ? 0 : ((d < 0) ? -1 : 1);

}

如何实现延时阻塞队列

延时阻塞队列的实现很简单，当消费者从队列里获取元素时，如果元素没有达到延时时间，就阻塞当前线程。

long delay = first.getDelay(TimeUtil.NANOSECONDS);

if(delay<=0){

return q.poll ;//阻塞队列

}else if(leader!=null){

//leader表示一个等待从阻塞队列中取消息的线程

available.await(); //让线程进入等待信号

}else {

//当leader为null，则将当前线程设置为leader

Thread thisThread = Thread.currentThread();

try{

leader = thisThread;

//使用awaitNanos()方法让当前线程等待接收信号或等待delay时间

available.awaitNanos(delay);

}finally{

if(leader==thisThread){

leader=null;

}

5、SynchronousQueue

SynchronousQueue是一个不存储元素的阻塞队列。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。SynchronousQueue可以看成是一个传球手，负责把生产者线程处理的数据直接传递给消费者线程。队列本身并不存储任何元素，非常适合于传递性场景,比如在一个线程中使用的数据，传递给另外一个线程使用，SynchronousQueue的吞吐量高于

linkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue。

它支持公平访问队列。默认情况下依然是非公平性的策略机制

6、linkedTransferQueue

linkedTransferQueue是一个由链表结构组成的无界阻塞TransferQueue队列。相对于其他阻塞队列linkedTransferQueue多了tryTransfer和transfer方法。

transfer方法

如果当前有消费者正在等待接收元素（消费者使用take()方法或带时间限制的poll()方法时），transfer方法可以把生产者传入的元素立刻transfer（传输）给消费者。如果没有消费者在等待接收元素，transfer方法会将元素存放在队列的tail节点，并等到该元素被消费者消费了才返回。

tryTransfer方法

是用来试探下生产者传入的元素是否能直接传给消费者。如果没有消费者等待接收元素，则返回false。和transfer方法的区别是tryTransfer方法无论消费者是否接收，方法立即返回。而transfer方法是必须等到消费者消费了才返回。

对于带有时间限制的tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit)方法，则是试图把生产者传入的元素直接传给消费者，但是如果没有消费者消费该元素则等待指定的时间再返回，如果超时还没消费元素，则返回false，如果在超时时间内消费了元素，则返回true。

7、linkedBlockingDeque

linkedBlockingDeque是一个由链表结构组成的双向阻塞队列。所谓双向队列指的你可以从队列的两端插入和移出元素。双端队列因为多了一个操作队列的入口，在多线程同时入队时，也就减少了一半的竞争。相比其他的阻塞队列，linkedBlockingDeque多了addFirst，addLast，offerFirst，offerLast，peekFirst，peekLast等方法，以First单词结尾的方法，表示插入，获取（peek）或移除双端队列的第一个元素。以Last单词结尾的方法，表示插入，获取或移除双端队列的最后一个元素。另外插入方法add等同于addLast，移除方法remove等效于removeFirst。但是take方法却等同于takeFirst，不知道是不是Jdk的bug，使用时还是用带有First和Last后缀的方法更清楚。在初始化linkedBlockingDeque时可以初始化队列的容量，用来防止其再扩容时过渡膨胀。另外双向阻塞队列可以运用在“工作窃取”模式中

JUC - 多线程之阻塞队列BlockingQueue（四）