六：阻塞隊列的理解

1.阻塞隊列有哪些

強烈推薦參考：https://www.cnblogs.com/bjxq-cs88/p/9759571.html

隊列	有界性	鎖	數據結構
ArrayBlockingQueue	bounded(有界)	加鎖	arrayList
LinkedBlockingQueue	optionally-bounded	加鎖	linkedList
PriorityBlockingQueue	unbounded	加鎖	heap
DelayQueue	unbounded	加鎖	heap
SynchronousQueue	bounded	加鎖	無
LinkedTransferQueue	unbounded	加鎖	heap
LinkedBlockingDeque	unbounded	無鎖	heap

下面分別簡單介紹一下：

• ArrayBlockingQueue：是一個基於數組結構的有界阻塞隊列，此隊列按 FIFO（先進先出）對元素進行排序。
• LinkedBlokcingQueue：是一個基於鏈表結構的阻塞隊列，此隊列按 FIFO（先進先出）對元素進行排序，吞吐量通常要高於 ArrayBlockingQueue。
• SynchronousQueue：是一個不存儲元素的阻塞隊列，每個插入操作必須等到另一個線程調用移除操作，否則插入操作一直處於阻塞狀態，吞吐量通常要高於 LinkedBlokcingQueue； 支持公平鎖和非公平鎖。SynchronousQueue的一個使用場景是在線程池裏。Executors.newCachedThreadPool()就使用了SynchronousQueue，這個線程池根據需要（新任務到來時）創建新的線程，如果有空閒線程則會重複使用，線程空閒了60秒後會被回收。
• LinkedTransferQueue： 一個由鏈表結構組成的無界阻塞隊列，相當於其它隊列，LinkedTransferQueue隊列多了transfer和tryTransfer方法。
• LinkedBlockingDeque： 一個由鏈表結構組成的雙向阻塞隊列。隊列頭部和尾部都可以添加和移除元素，多線程併發時，可以將鎖的競爭最多降到一半。
• PriorityBlockingQueue： 一個支持線程優先級排序的無界隊列，默認自然序進行排序，也可以自定義實現compareTo()方法來指定元素排序規則，不能保證同優先級元素的順序。
• DelayQueue： 一個實現PriorityBlockingQueue實現延遲獲取的無界隊列，在創建元素時，可以指定多久才能從隊列中獲取當前元素。只有延時期滿後才能從隊列中獲取元素。（DelayQueue可以運用在以下應用場景：1.緩存系統的設計：可以用DelayQueue保存緩存元素的有效期，使用一個線程循環查詢DelayQueue，一旦能從DelayQueue中獲取元素時，表示緩存有效期到了。2.定時任務調度。使用DelayQueue保存當天將會執行的任務和執行時間，一旦從DelayQueue中獲取到任務就開始執行，從比如TimerQueue就是使用DelayQueue實現的。）

2.什麼是阻塞隊列

• 阻塞隊列，顧名思義，首先它是一個隊列，而一個阻塞隊列在數據結構中所起的作用大致如圖所示：

• 當阻塞隊列是空時，從隊列中獲取元素的操作將會被阻塞。

• 當阻塞隊列是滿時，往隊列裏添加元素的操作將會被阻塞。

• 核心接口

  public interface BlockingQueue<E> extends Queue<E> {
      //將給定元素設置到隊列中，如果設置成功返回true, 否則拋出異常。如果是往限定了長度的隊列中設置值，推薦使用offer()方法。
      boolean add(E e);
      //將給定的元素設置到隊列中，如果設置成功返回true, 否則返回false. e的值不能爲空，否則拋出空指針異常。
      boolean offer(E e);
      //將元素設置到隊列中，如果隊列中沒有多餘的空間，該方法會一直阻塞，直到隊列中有多餘的空間。
      void put(E e) throws InterruptedException;
      //將給定元素在給定的時間內設置到隊列中，如果設置成功返回true, 否則返回false.
      boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
          throws InterruptedException;
      //從隊列中獲取值，如果隊列中沒有值，線程會一直阻塞，直到隊列中有值，並且該方法取得了該值。
      E take() throws InterruptedException;
      //在給定的時間裏，從隊列中獲取值，如果沒有取到會拋出異常。
      E poll(long timeout, TimeUnit unit)
          throws InterruptedException;
      //獲取隊列中剩餘的空間。
      int remainingCapacity();
      //從隊列中移除指定的值。
      boolean remove(Object o);
      //判斷隊列中是否擁有該值。
      public boolean contains(Object o);
      //將隊列中值，全部移除，併發設置到給定的集合中。
      int drainTo(Collection<? super E> c);
      //指定最多數量限制將隊列中值，全部移除，併發設置到給定的集合中。
      int drainTo(Collection<? super E> c, int maxElements);
  }
  

• 核心方法

  方法\行爲	拋異常	特定的值	阻塞	超時
  插入方法	add(o)	offer(o)	put(o)	offer(o, timeout, timeunit)
  移除方法	remove()	poll()	take()	poll(timeout, timeunit)
  檢查方法	element()	peek()	不可用	不可用

• 行爲解釋：

  • 拋異常：如果操作不能馬上進行，則拋出異常
  • 特定的值：如果操作不能馬上進行，將會返回一個特殊的值，一般是 true 或者 false
  • 阻塞：如果操作不能馬上進行，操作會被阻塞
  • 超時：如果操作不能馬上進行，操作會被阻塞指定的時間，如果指定時間沒執行，則返回一個特殊值，一般是 true 或者 false

• 插入方法：

  • add(E e)：添加成功返回true，失敗拋 IllegalStateException 異常
  • offer(E e)：成功返回 true，如果此隊列已滿，則返回 false
  • put(E e)：將元素插入此隊列的尾部，如果該隊列已滿，則一直阻塞

• 刪除方法：

  • remove(Object o) ：移除指定元素,成功返回true，失敗返回false
  • poll()：獲取並移除此隊列的頭元素，若隊列爲空，則返回 null
  • take()：獲取並移除此隊列頭元素，若沒有元素則一直阻塞

• 檢查方法：

  • element() ：獲取但不移除此隊列的頭元素，沒有元素則拋異常
  • peek() :獲取但不移除此隊列的頭；若隊列爲空，則返回 null

3.SynchronousQueue

SynchronousQueue，實際上它不是一個真正的隊列，因爲它不會爲隊列中元素維護存儲空間。與其他隊列不同的是，它維護一組線程，這些線程在等待着把元素加入或移出隊列。

public class SynchronousQueueDemo {

    public static void main(String[] args) {
        SynchronousQueue<Integer> synchronousQueue = new SynchronousQueue<>();
        new Thread(() -> {
            try {
                synchronousQueue.put(1);
                Thread.sleep(3000);
                synchronousQueue.put(2);
                Thread.sleep(3000);
                synchronousQueue.put(3);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();

        new Thread(() -> {
            try {
                Integer val = synchronousQueue.take();
                System.out.println(val);
                Integer val2 = synchronousQueue.take();
                System.out.println(val2);
                Integer val3 = synchronousQueue.take();
                System.out.println(val3);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
    }
}

使用場景

• 生產者消費者模式
• 線程池
• 消息中間件

4.synchronized 和 Lock 區別

• 原始結構
  • synchronized 是關鍵字屬於 JVM 層面，反應在字節碼上是 monitorenter 和 monitorexit，其底層是通過 monitor 對象來完成，其實 wait/notify 等方法也是依賴 monitor 對象只有在同步快或方法中才能調用 wait/notify 等方法。
  • Lock 是具體類（java.util.concurrent.locks.Lock）是 api 層面的鎖。
• 使用方法
  • synchronized 不需要用戶手動去釋放鎖，當 synchronized 代碼執行完後系統會自動讓線程釋放對鎖的佔用。
  • ReentrantLock 則需要用戶手動的釋放鎖，若沒有主動釋放鎖，可能導致出現死鎖的現象，lock() 和 unlock() 方法需要配合 try/finally 語句來完成。
• 等待是否可中斷
  • synchronized 不可中斷，除非拋出異常或者正常運行完成。
  • ReentrantLock 可中斷，設置超時方法 tryLock(long timeout, TimeUnit unit)，lockInterruptibly() 放代碼塊中，調用 interrupt() 方法可中斷。
• 加鎖是否公平
  • synchronized 非公平鎖
  • ReentrantLock 默認非公平鎖，構造方法中可以傳入 boolean 值，true 爲公平鎖，false 爲非公平鎖。
• 鎖可以綁定多個 Condition
  • synchronized 沒有 Condition。
  • ReentrantLock 用來實現分組喚醒需要喚醒的線程們，可以精確喚醒，而不是像 synchronized 要麼隨機喚醒一個線程要麼喚醒全部線程。