并發容器與架構——并發容器（二）

1.何為阻塞隊列

    阻塞隊列（BlockingQueue）是一個支援兩個附加操作的隊列。這兩個附加的操作支援阻塞的插入和移除方法。

1. 支援阻塞的插入方法：意思是當隊列滿（無界隊列除外）時，隊列會阻塞插入元素的線程，直到隊列不滿。
2. 支援阻塞的移除方法：意思是在隊列為空時，擷取元素的線程會等待隊列變為非空。

    阻塞隊列常用于生産者和消費者的場景，生産者是向隊列裡添加元素的線程，消費者是從隊列裡取元素的線程。阻塞隊列就是生産者用來存放元素、消費者用來擷取元素的容器。阻塞隊列對插入和移除兩個附加操作提供了4種處理方式。

1. 抛出異常：當隊列滿時，如果再往隊列裡插入元素，會抛出IllegalStateException（"Queuefull"）異常。當隊列空時，從隊列裡擷取元素會抛出NoSuchElementException異常。
2. ·傳回特殊值：當往隊列插入元素時，會傳回元素是否插入成功，成功傳回true。如果是移除方法，則是從隊列裡取出一個元素，如果沒有則傳回null。
3. ·一直阻塞：當阻塞隊列滿時，如果生産者線程往隊列裡put元素，隊列會一直阻塞生産者線程，直到隊列可用或者響應中斷退出。當隊列空時，如果消費者線程從隊列裡take元素，隊列會阻塞住消費者線程，直到隊列不為空。
4. ·逾時退出：當阻塞隊列滿時，如果生産者線程往隊列裡插入元素，隊列會阻塞生産者線程一段時間，如果超過了指定的時間，生産者線程就會退出。

    注意：如果是無界阻塞隊列，隊列不可能會出現滿的情況，是以使用put或offer方法永 遠不會被阻塞，而且使用offer方法時，該方法永遠傳回true。

2.阻塞隊列

    2.1 分類

1. ArrayBlockingQueue：一個由數組結構組成的有界阻塞隊列。
2. LinkedBlockingQueue：一個由連結清單結構組成的有界阻塞隊列。
3. PriorityBlockingQueue：一個支援優先級排序的無界阻塞隊列。
4. DelayQueue：一個使用優先級隊列實作的無界阻塞隊列。
5. SynchronousQueue：一個不存儲元素的阻塞隊列。
6. LinkedTransferQueue：一個由連結清單結構組成的無界阻塞隊列。
7. LinkedBlockingDeque：一個由連結清單結構組成的雙向阻塞隊列。

    2.2 七種阻塞隊列使用詳解

1. ArrayBlockingQueue：是一個用數組實作的有界阻塞隊列。此隊列按照先進先出的原則對元素進行排序。預設情況下不保證線程公平的通路隊列，所謂公平通路隊列是指阻塞的線程，可以按照阻塞的先後順序通路隊列，即先阻塞線程先通路隊列。非公平性是對先等待的線程是非公平的，當隊列可用時，阻塞的線程都可以争奪通路隊列的資格，有可能先阻塞的線程最後才通路隊列。為了保證公平性，通常會降低吞吐量。通路者的公平性是使用可重入鎖實作的。

   public class TestBlockingQueue {
   	public static void main(String[] args) {
   		int capacity=1000;//有界隊列元素容量，必須>=1
   		ArrayBlockingQueue<String> arr1=new ArrayBlockingQueue<String>(capacity);
   		ArrayBlockingQueue<String> arr2=new ArrayBlockingQueue<String>(capacity,true);//boolean值表示是否采用公平性原則
   		
   	}
   }           

2. LinkedBlockingQueue：LinkedBlockingQueue是一個用連結清單實作的有界阻塞隊列。此隊列的預設和最大長度為 Integer.MAX_VALUE。此隊列按照先進先出的原則對元素進行排序。
3. PriorityBlockingQueue：是一個支援優先級的無界阻塞隊列。預設情況下元素采取自然順序升序排列。也可以自定義類實作compareTo()方法來指定元素排序規則，或者初始化 PriorityBlockingQueue時，指定構造參數Comparator來對元素進行排序。需要注意的是不能保證 同優先級元素的順序。
4. DelayQueue：DelayQueue是一個支援延時擷取元素的無界阻塞隊列。隊列使用PriorityQueue來實作。隊 列中的元素必須實作Delayed接口（可以參考ScheduledThreadPoolExecutor 裡ScheduledFutureTask類的實作），在建立元素時可以指定多久才能從隊列中擷取目前元素。 隻有在延遲期滿時才能從隊列中提取元素。該阻塞隊列非常有用，比如可以設計緩存系統，使用一個線程循環查詢 DelayQueue，一旦能從DelayQueue中擷取元素時，表示緩存有效期到了；還可以做定時任務排程，使用DelayQueue儲存當天将會執行的任務和執行時間，一旦從 DelayQueue中擷取到任務就開始執行，比如TimerQueue就是使用DelayQueue實作的。
5. SynchronousQueue：SynchronousQueue是一個不存儲元素的阻塞隊列。每一個put操作必須等待一個take操作，否則不能繼續添加元素。它支援公平通路隊列。預設情況下線程采用非公平性政策通路隊列。使用以下構造方法可以建立公平性通路的SynchronousQueue，如果設定為true，則等待的線程會采用先進先出的順序通路隊列。可以将該隊列了解為一個傳球手，負責把生産者線程處理的資料直接傳遞給消費者線程。隊列本身并不存儲任何元素，非常适合傳遞性場景。
6. LinkedTransferQueue：LinkedTransferQueue是一個由連結清單結構組成的無界阻塞TransferQueue隊列。相對于其他阻塞隊列，LinkedTransferQueue多了tryTransfer和transfer方法。
   1. 使用transfer方法：如果目前有消費者正在等待接收元素（消費者使用take()方法或帶時間限制的poll()方法 時），transfer方法可以把生産者傳入的元素立transfer（傳輸）給消費者。如果沒有消費者在等 待接收元素，transfer方法會将元素存放在隊列的tail節點，并等到該元素被消費者消費了才返 回。
   2. tryTransfer方法：tryTransfer方法是用來試探生産者傳入的元素是否能直接傳給消費者。如果沒有消費者等 待接收元素，則傳回false。和transfer方法的差別tryTransfer方法無論消費者是否接收，方法 立即傳回，而transfer方法是必須等到消費者消費了才傳回。 對于帶有時間限制的tryTransfer（E e，long timeout，TimeUnit unit）方法，試圖把生産者傳入 的元素直接傳給消費者，但是如果沒有消費者消費該元素則等待指定的時間再傳回，如果超 時還沒消費元素，則傳回false，如果在逾時時間内消費了元素，則傳回true。
7. LinkedBlockingDeque：LinkedBlockingDeque是一個由連結清單結構組成的雙向阻塞隊列。雙向隊列因為多了一個操作隊列的入口，在多線程同時入隊 時，也就減少了一半的競争。相比其他的阻塞隊列，LinkedBlockingDeque多了addFirst、 addLast、offerFirst、offerLast、peekFirst和peekLast等方法，以First單詞結尾的方法，表示插入、 擷取（peek）或移除雙端隊列的第一個元素。以Last單詞結尾的方法，表示插入、擷取或移除雙 端隊列的最後一個元素。另外，插入方法add等同于addLast，移除方法remove等效于 removeFirst。但是take方法卻等同takeFirst

3.阻塞隊列實作原理

    JDK通過通知模式實作。所謂通知模式，就是當生産者往滿的隊列裡添加元素時會阻塞住生産者，當消費者消費了一個隊列中的元素後，會通知生産者目前隊列可用。通過檢視JDK源碼 發現ArrayBlockingQueue使用了Condition來實作。也就是通過await/signal來實作。

final Object[] items;
 final ReentrantLock lock;
 private final Condition notEmpty;
 private final Condition notFull;
 int count;
 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();
        }
    }
 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();
    }
 private E dequeue() {
        // assert lock.getHoldCount() == 1;
        // assert items[takeIndex] != null;
        final Object[] items = this.items;
        @SuppressWarnings("unchecked")
        E x = (E) items[takeIndex];
        items[takeIndex] = null;
        if (++takeIndex == items.length)
            takeIndex = 0;
        count--;
        if (itrs != null)
            itrs.elementDequeued();
        notFull.signal();
        return x;
    }