Java并发编程：探索阻塞队列及其优势与实现

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Java并发编程中的阻塞队列是一种特殊类型的线程安全队列，与非阻塞队列相比，它们在处理消费者-生产者模型时提供了更为便捷的解决方案。非阻塞队列如PriorityQueue和LinkedList虽然高效，但它们不具备阻塞特性，这意味着当队列为空时，尝试从中获取元素的线程不会被阻塞，而是会立即返回，这就需要开发者额外实现复杂的同步和唤醒机制。 Java从Java 1.5版本开始，引入了java.util.concurrent包下的多个阻塞队列，其中包括： 1. ArrayBlockingQueue：基于数组实现，创建时需要指定容量大小。默认情况下是非公平的，即不保证长时间等待的线程优先访问。这意味着新元素可能立即插入到队列末尾，而非先进先出。 2. LinkedBlockingQueue：采用链表结构，容量未指定时，默认为Integer.MAX_VALUE。它是一种公平的阻塞队列，所有等待的线程都有平等的机会被添加到队列。 3. PriorityBlockingQueue：与前两者不同，它实现了优先级排序，元素按照其优先级出队。这使得它成为一个无界阻塞队列，即容量无限大，但依然保留了公平性。 4. DelayQueue：基于PriorityQueue，专门用于存储具有延迟执行时间的任务。它是一个特殊的阻塞队列，当元素添加时，如果其延迟时间未到，线程会一直等待，直到该元素的延迟时间到达。阻塞队列的关键优势在于它们简化了消费者-生产者模型的同步逻辑，线程在尝试从空队列中获取或向已满队列添加元素时会自然地进入阻塞状态，直到满足条件。这种特性减少了程序员编写复杂同步代码的需求，提高了代码的可读性和维护性。通过了解和熟练使用这些阻塞队列，开发者能更有效地设计和实现并发程序，确保线程间的协作和资源管理更加高效。在实际应用中，阻塞队列可用于消息传递、任务调度、数据缓冲等场景，特别是在需要保证任务顺序或优先级执行的情况下。

Java并发编程：阻塞队列并发编程：阻塞队列

　　我们讨论了同步容器(Hashtable、Vector），也讨论了并发容器（ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList），这些

工具都为我们编写多线程程序提供了很大的方便。我们来讨论另外一类容器：阻塞队列。

　　在前面我们接触的队列都是非阻塞队列，比如PriorityQueue、LinkedList（LinkedList是双向链表，它实现了Dequeue接

口）。

　　使用非阻塞队列的时候有一个很大问题是：它不会对当前线程产生阻塞，那么在面对类似消费者-生产者的模型时，必须

额外地实现同步策略以及线程间唤醒策略，这个实现起来非常麻烦。但是有了阻塞队列不一样了，它会对当前线程产生阻塞，

比如一个线程从一个空的阻塞队列中取元素，此时线程会被阻塞直到阻塞队列中有了元素。当队列中有元素后，被阻塞的线程

会自动被唤醒（不需要我们编写代码去唤醒）。这样提供了极大的方便性。

　　本文先讲述一下java.util.concurrent包下提供主要的几种阻塞队列，然后分析了阻塞队列和非阻塞队列的中的各个方法，

接着分析了阻塞队列的实现原理，后给出了一个实际例子和几个使用场景。

　　一.几种主要的阻塞队列

　　自从Java 1.5之后，在java.util.concurrent包下提供了若干个阻塞队列，主要有以下几个：

　　ArrayBlockingQueue：基于数组实现的一个阻塞队列，在创建ArrayBlockingQueue对象时必须制定容量大小。并且可以

指定公平性与非公平性，默认情况下为非公平的，即不保证等待时间长的队列优先能够访问队列。

　　LinkedBlockingQueue：基于链表实现的一个阻塞队列，在创建LinkedBlockingQueue对象时如果不指定容量大小，则默

认大小为Integer.MAX_VALUE。

　　PriorityBlockingQueue：以上2种队列都是先进先出队列，而PriorityBlockingQueue却不是，它会按照元素的优先级对元

素进行排序，按照优先级顺序出队，每次出队的元素都是优先级高的元素。注意，此阻塞队列为无界阻塞队列，即容量没有上

限（通过源码可以知道，它没有容器满的信号标志），前面2种都是有界队列。

　　DelayQueue：基于PriorityQueue，一种延时阻塞队列，DelayQueue中的元素只有当其指定的延迟时间到了，才能够从

队列中获取到该元素。DelayQueue也是一个无界队列，因此往队列中插入数据的操作（生产者）永远不会被阻塞，而只有获

取数据的操作（消费者）才会被阻塞。

　　二.阻塞队列中的方法 VS 非阻塞队列中的方法

　　1.非阻塞队列中的几个主要方法：

　　add(E e):将元素e插入到队列末尾，如果插入成功，则返回true；如果插入失败（即队列已满），则会抛出异常；

　　remove()：移除队首元素，若移除成功，则返回true；如果移除失败（队列为空），则会抛出异常；

　　offer(E e)：将元素e插入到队列末尾，如果插入成功，则返回true；如果插入失败（即队列已满），则返回false；

　　poll()：移除并获取队首元素，若成功，则返回队首元素；否则返回null；

　　peek()：获取队首元素，若成功，则返回队首元素；否则返回null

　　对于非阻塞队列，一般情况下建议使用offer、poll和peek三个方法，不建议使用add和remove方法。因为使用offer、poll

和peek三个方法可以通过返回值判断操作成功与否，而使用add和remove方法却不能达到这样的效果。注意，非阻塞队列中

的方法都没有进行同步措施。

　　2.阻塞队列中的几个主要方法：

　　阻塞队列包括了非阻塞队列中的大部分方法，上面列举的5个方法在阻塞队列中都存在，但是要注意这5个方法在阻塞队

列中都进行了同步措施。除此之外，阻塞队列提供了另外4个非常有用的方法：

　　put(E e)

　　take()

　　offer(E e，long timeout， TimeUnit unit)

　　poll(long timeout， TimeUnit unit)

　　put方法用来向队尾存入元素，如果队列满，则等待；

　　take方法用来从队首取元素，如果队列为空，则等待；

　　offer方法用来向队尾存入元素，如果队列满，则等待一定的时间，当时间期限达到时，如果还没有插入成功，则返回

false；否则返回true；

　　poll方法用来从队首取元素，如果队列空，则等待一定的时间，当时间期限达到时，如果取到，则返回null；否则返回取

得的元素；三.阻塞队列的实现原理

　　前面谈到了非阻塞队列和阻塞队列中常用的方法，下面来探讨阻塞队列的实现原理，本文以ArrayBlockingQueue为例，

其他阻塞队列实现原理可能和ArrayBlockingQueue有一些差别，但是大体思路应该类似，有兴趣的朋友可自行查看其他阻塞

队列的实现源码。

　　首先看一下ArrayBlockingQueue类中的几个成员变量：

public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>

implements BlockingQueue<E>， java.io.Serializable {

private static final long serialVersionUID = -817911632652898426L;

/** The queued items */

private final E[] items;

/** items index for next take， poll or remove */

private int takeIndex;

/** items index for next put， offer， or add. */

private int putIndex;

/** Number of items in the queue */

private int count;

* Concurrency control uses the classic two-condition algorithm

* found in any textbook.

/** Main lock guarding all access */

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