Java併發編程之BlockingQueue阻塞隊列--------介紹，分類，源碼分析

一.簡介

以下摘自jdk1.8源碼：

A {@link java.util.Queue} that additionally supports operations
that wait for the queue to become non-empty when retrieving an
element, and wait for space to become available in the queue when
storing an element.

• 一個隊列
• 這個隊列要求在隊列非空時取出元素
• 這個隊列要求在隊列非滿時存儲元素

總結：

阻塞隊列是一個隊列。試圖從空的隊列中獲取元素的線程將會被阻塞，直到其他線程往空的隊列插入新的元素。試圖向已滿的隊列中添加新元素的線程將會被阻塞，直到其他線程從隊列中移除一個或多個元素或者完全清空，使隊列變得空閒起來並後續新增

二.源碼：

BlockingQueue是一個接口：

public interface BlockingQueue<E> extends Queue<E> 

實現Queue接口，這是一個隊列結構：先進先出。

BlockingQueue的實現類很多

常用的有ArrayBlockingQueue，LinkedBlockingQueue， SynchronousQueue，以下舉例使用ArrayBlockingQueue。

ArrayBlockingQueue 分析

先看一下聲明部分

public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
        implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
        
    //和ArrayList一樣，底層是用的數組
    final Object[] items;

	/** Main lock guarding all access */
    final ReentrantLock lock;

    /** Condition for waiting takes */
    private final Condition notEmpty;

    /** Condition for waiting puts */
    private final Condition notFull;

注意有兩個Condition一個表示非空，一個表示非滿，還有一個Lock

再看一下核心的方法

put：

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();
        }
    }

/** Condition for waiting puts */
 private final Condition notFull;

可以看出put方法的邏輯也是通過Condition配合ReentrantLock實現的，當count和數組長度items.length相等，說明隊列滿，則調用Conditon的await；否則說明有空位，調用enqueue()方法：

private void enqueue(E x) {
        // assert lock.getHoldCount() == 1;
        // assert items[putIndex] == null;
        final Object[] items = this.items;
        items[putIndex] = x;
        if (++putIndex == items.length)
            putIndex = 0;
        count++;
        notEmpty.signal();
    }

前幾行都是比較常見的添加元素的方法，注意最後要調用Condition的signal方法，喚醒在notEmpty這個condition上阻塞的線程

take:

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

take的邏輯和put基本一樣，當Count=0，當前condition（notEmpty）阻塞，否則返回dequeue()，最後通知生產者，喚醒生產者線程（在notFull處阻塞）

    private E dequeue() {
        // assert lock.getHoldCount() == 1;
        // assert items[takeIndex] != null;
        final Object[] items = this.items;
        @SuppressWarnings("unchecked")
        E x = (E) items[takeIndex]; //取到E
        items[takeIndex] = null;
        if (++takeIndex == items.length)
            takeIndex = 0;
        count--;
		/**
		@key jdk1.8的新特性迭代器特性，這裏是因爲元素的出隊列所以清理和這個元素相關聯的迭代器
		*/
        if (itrs != null) 
            itrs.elementDequeued();
        notFull.signal();
        return x;
    }

三.阻塞隊列的應用

在多線程領域：所謂阻塞，在某些情況下會掛起線程（即阻塞），一旦條件滿足，被掛起的線程又會自動被喚起

• 爲什麼需要BlockingQueue 。好處是我們不需要關心什麼時候需要阻塞線程，什麼時候需要喚醒線程，因爲這一切BlockingQueue都給你一手包辦了
• 在concurrent包發佈以前，在多線程環境下，我們每個程序員都必須去自己控制這些細節，尤其還要兼顧效率和線程安全，而這會給我們的程序帶來不小的複雜度。
• 在生產者消費者模型中，生產數據和消費數據的速率不一致，如果生產數據速度快一些，消費(處理)不過來，就會導致數據丟失。這時候我們就可以應用上阻塞隊列來解決這個問題。

四.API分類

方法類型	拋出異常	特殊值	阻塞	超時
插入	add(e)	offer(e)	put(e)	offer(e,time,unit)
移除	remove()	poll()	take	poll(time,unit)
檢查	element()	peek()	不可用	不可用

方法類型	status
拋出異常	當阻塞隊列滿時，再往隊列中add會拋IllegalStateException: Queue full 當阻塞隊列空時，在網隊列裏remove會拋NoSuchElementException
特殊值	插入方法，成功true失敗false 移除方法，成功返回出隊列的元素，隊列裏沒有就返回null
一直阻塞	當阻塞隊列滿時，生產者線程繼續往隊列裏put元素，隊列會一直阻塞線程知道put數據或響應中斷退出 當阻塞隊列空時，消費者線程試圖從隊列take元素，隊列會一直阻塞消費者線程知道隊列可用。
超時退出	當阻塞隊列滿時，隊列會阻塞生產者線程一定時間，超過限時後生產者線程會退出