Java-并发-队列-阻塞和非阻塞队列总结

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本文系转载自以下文章：

Java 并发 — 阻塞队列总结
作者： thgreat
java中并发集合
作者：hy飞无

0x01 摘要

本文会对java并发包内的常用重要阻塞/非阻塞队列进行总结。

0x02 非阻塞式集合

这类集合也包括添加和移除的方法，如果方法不能立即被执行，则返回null或抛出异常，但是调用这个方法的线程不会被阻塞。

2.1 ConcurrentLinkedQueue

ConcurrentLinkedQueue
基于链接节点的无限制线程安全队列，此队列命令元素FIFO（先进先出）。这个队列在add(),remove(),poll()都用了cas来保证安全。

在iterator()时，如果集合被改变，那么数据可能会不一致。

2.2 ConcurrentLinkedDeque

基于链接节点的无界并发的双端队列。
并发插入，删除和访问操作安全执行。
因为这些deques的异步性质，确定当前的数量，元素需要遍历元素，因此可以报告，如果在遍历期间修改此集合，则结果不准确。
也是使用cas来保证线程安全，这个类不仅可以操控头部，也可以操控尾部。

0x03 阻塞式集合

这类集合包括添加和移除的数据方法。当集合已满或为空时，被调用的添加或者移除方法就不能立即被执行，那么调用这个方法的线程将被阻塞，一直到该方法可以被成功执行。

3.2 ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue 特点：

用数组实现
有界阻塞队列
初始化时需要指定队列的大小，它不会像ArrayList那样自动扩容。
FIFO
ArrayBlockingQueue 是一种逻辑上的环形队列。
线程安全
Vector用synchronized关键字进行线程同步，而ArrayBlockingQueue中通过ReentrantLock来完成的。
入队和出队不可并发
ArrayBlockingQueue 在入队和出队上都使用了同一个重入锁，因此入队和出队是不能并发执行的。
可重入锁和Condition：
1. 可重入锁是独占式的锁，来保证对队列的访问都是线程安全的阻塞操作。ReentrantLock 有公平锁和非公平锁之分，因此需要指定，默认是非公平锁。
2. Condition控制什么情况下该阻塞或不阻塞。

源码分析请参考：Java 并发 — 阻塞队列之ArrayBlockingQueue源码分析

3.3 LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue特点如下：

用链表实现
有界阻塞队列
FIFO
LinkedBlockingQueue 和ArrayBlockingQueue 是差不多的，只是储存方式由数组转换为链表了而已，LinkedBlockingQueue 也是通过重入锁和Condition
来对队列的操作访问进行控制。
入队和出队可并发
在ArrayBlockingQueue中，入队和出队都是用的同一个可重入锁，出队入队不可并发；而LinkedBlockingQueue 对于出队和入队使用了不同的可重入锁来控制
对于队列中元素的个数使用了原子类AtomicInteger，来保证对count的操作具有原子性。

自己实现LinkedBlockingQueue:Java-并发-自己实现阻塞队列
源码分析请参考：Java 并发 — 阻塞队列之PriorityBlockingQueuey源码分析

3.4 PriorityBlockingQueue

先看看继承关系：
PriorityBlockingQueue

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PriorityBlockingQueue 特点：

支持优先级
无界阻塞队列
PriorityBlockingQueue 是无界队列，不会“队满”。实际当到达队列最大值后（Integer.MAX_VALUE - 8，减8的原因是：数组作为一个对象，需要一定的内存存储对象头信息，对象头信息最大占用内存不可超过8字节。），就抛OOM异常了，因此这点在使用优先队列的时候需要注意。
放入队列的元素必须实现Comparable接口的public int compareTo(T o)方法
默认情况下comparator为null。此时会根据元素的compareTo方法来来排序，比如String类型就是按其实现的挨个比较内部char数组的 Ascii码来排序。采取从小到大顺序升序排列，也可以自定义类实现compareTo()方法来指定元素排序规则，需要注意的是不能保证同优先级元素的顺序。
线程安全
通过一个可重入锁ReentrantLock来控制入队和出队操作
入队出队不可并发
通过二叉堆来实现
默认情况下，父元素的值永远比任何子元素的值还小。也就是说，最小的值是queue[0]

二叉堆使用的是数组来实现，对一个二叉树进行编号，然后按照顺序存放在数组中。

二叉堆2

观察一下父子节点之间的编号，会发现如果节点在数组中的位置是i(i是节点在数组中的下标), 则i节点对应的子节点在数组中的位置分别是 2i + 1 和 2i + 2，同时i的父节点的位置为 (i-1)/2。

因此现在我们就把树存储到了数组中，同时通过这种规律可以很快找到每个节点的父亲和孩子节点。
关于二叉堆的更多操作，可以看上面的链接，这里就不赘述了，简单提一下就好。

源码分析请参考：Java-并发-队列-PriorityBlockingQueue

3.5 DelayQueue

DelayQueue 内部通过组合PriorityQueue 来实现存储和维护元素顺序的，其存储元素必须实现Delayed 接口。通过实现Delayed 接口，可以获取到元素延迟时间，以及可以比较元素大小（Delayed 继承Comparable）
DelayQueue 通过一个可重入锁来控制元素的入队出队行为
DelayQueue 中leader 标识用于减少线程的竞争，表示当前有其它线程正在获取队头元素。
PriorityQueue 只是负责存储数据以及维护元素的顺序，对于延迟时间取数据则是在DelayQueue 中进行判断控制的。

源码分析请参考：Java 并发 — 阻塞队列之DelayQueue源码分析

3.6 SynchronousQueue

SynchronousQueue 不是一个真正的队列，其主要功能不是存储元素，而且维护一个排队的线程清单。这些线程等待把元素加入或者移出队列。每一个线程的入队（出队）操作必须等待另一个线程的出队（入队）操作。
SynchronousQueue中的队列不是针对数据的，而是针对操作，也就是入队不一定就是入队数据，而是入队的操作，操作可以是put,也可以是take，put操作与take操作对应，可以互相匹配，put和put，take和take则是相同的操作（模式）。
SynchronousQueue 并没有使用锁来保证线程的安全，使用的是循环CAS方法。
SynchronousQueue有两种模式：
1. 公平模式
  所谓公平就是遵循先来先服务的原则，因此其内部使用了一个FIFO队列来实现其功能。
2. 非公平模式
  SynchronousQueue 中的非公平模式是默认的模式，其内部使用栈来实现其功能，也就是后来的先服务,

源码分析请参考：Java 并发 — 阻塞队列之SynchronousQueue源码分析

3.7 LinkedTransferQueue

LinkedTransferQueue 和SynchronousQueue 其实基本是差不多的，两者都是无锁带阻塞功能的队列
SynchronousQueue 通过内部类Transferer 来实现公平和非公平队列
LinkedTransferQueue 中没有公平与非公平的区分
LinkedTransferQueue 实现了TransferQueue接口，该接口定义的是带阻塞操作的操作，相比SynchronousQueue 中的Transferer 功能更丰富。
LinkedTransferQueue是基于链表的FIFO无界阻塞队列，它是JDK1.7才添加的阻塞队列，有4种操作模式：

private static final int NOW   = 0; // for untimed poll, tryTransfer
private static final int ASYNC = 1; // for offer, put, add
private static final int SYNC  = 2; // for transfer, take
private static final int TIMED = 3; // for timed poll, tryTransfer

NOW ：如果在取数据的时候，如果没有数据，则直接返回，无需阻塞等待。
ASYNC：入队的操作都不会阻塞，也就是说，入队后线程会立即返回，不需要等到消费者线程来取数据。
SYNC ：取数据的时候，如果没有数据，则会进行阻塞等待。
TIMED : 取数据的时候，如果没有数据，则会进行超时阻塞等待。

源码分析请参考：Java 并发 — 阻塞队列之LinkedTransferQueue源码分析

3.8 LinkedBlockingDeque

LinkedBlockingDeque是基于双向链表的双端有界阻塞队列
默认使用非公平ReentrantLock实现线程安全
默认队列最大长度都为Integer.MAX_VALUE
不允许null元素添加
双端队列可以用来实现 “窃取算法” ,两头都可以操作队列，相对于单端队列可以减少一半的竞争。
LinkedBlockingDeque 是基于链表的，因此分析它实际就是分析链表而已，这个和我们前面LinkedBlockingQueue实质是差不多的，只是这里是双端队列，可以两头操作队列（队尾也可以出队，队头也可以入队）。

源码分析请参考：Java 并发 — 阻塞队列之LinkedBlockingDeque源码分析