1.什么是阻塞隊(duì)列

阻塞隊(duì)列--BlockingQueue，它是一個(gè)接口潘酗，

public interface BlockingQueue<E> extends Queue<E>

BlcokingQueue繼承了Queue接口然眼，是隊(duì)列的一種，Queue和BlockingQueue都是在Java5中加入的琅攘，BlockingQueue是線程安全的，我們?cè)诤芏鄨?chǎng)景下都可以利用線程安全的隊(duì)列來(lái)優(yōu)雅地解決我們業(yè)務(wù)自身的線程安全問(wèn)題松邪。
主要并發(fā)隊(duì)列關(guān)系圖

上圖展示了Queue最主要的實(shí)現(xiàn)類乎澄，可以看出Java提供的線程安全的隊(duì)列（也成為并發(fā)隊(duì)列）主要分為阻塞隊(duì)列和非阻塞隊(duì)列倆大類。

• 阻塞隊(duì)列的典型例子就是BlockingQueue接口的實(shí)現(xiàn)類测摔，主要有6種實(shí)現(xiàn)：ArrayBlcokingQueue,LinkedBlockingQueue,SynchronousQueue,DelayQueue,PriorityBlockingQueue和LinkedTransherQueue,它們各自有不同不同的特點(diǎn)。
• 非阻塞并發(fā)隊(duì)列最典型的就是ConcurrentLinkedQueue解恰，這個(gè)類不會(huì)讓線程阻塞锋八，利用CAS保證了線程安全。
• 從上圖還可以看到Deque护盈，就是雙端隊(duì)列挟纱，雙端隊(duì)列從頭和尾都能添加和刪除元素，而普通的Queue只能從一端進(jìn)入腐宋，另一端出去紊服。這是Queue和Deque最主要的區(qū)別檀轨，其它方面基本都差不多。

2.阻塞隊(duì)列的特點(diǎn)

阻塞隊(duì)列的特點(diǎn)就是阻塞兩個(gè)字欺嗤，哈哈哈哈参萄。像是廢話。阻塞功能使得生產(chǎn)者和消費(fèi)者兩端的能力得以平衡煎饼，當(dāng)有任何一端速度過(guò)快時(shí)讹挎，阻塞隊(duì)列便會(huì)把過(guò)快的速度降下來(lái)。最重要的兩個(gè)方法：take()和put()吆玖；
take()
take方法的功能是獲取并移除隊(duì)列的頭節(jié)點(diǎn)筒溃，通常在隊(duì)列里有數(shù)據(jù)的時(shí)候是可以正常移除的，當(dāng)隊(duì)列里無(wú)數(shù)據(jù)沾乘，則阻塞怜奖，直到隊(duì)列里面有數(shù)據(jù)。一旦有數(shù)據(jù)了翅阵，就立刻解除阻塞狀態(tài)歪玲，并且獲取到數(shù)據(jù) put()
put方法插入元素時(shí)，如果隊(duì)列沒(méi)有滿可以正常插入怎顾，如果隊(duì)列滿了读慎，則阻塞，直到隊(duì)列里面有了空閑空間槐雾，就會(huì)消除阻塞狀態(tài)夭委，并把數(shù)據(jù)添加進(jìn)去。

阻塞隊(duì)列容量問(wèn)題

阻塞隊(duì)列分為兩種有界和無(wú)界募强。無(wú)界隊(duì)列意味著里面可以容納非常多的元素株灸，例如LinkedBlcokingQueue的上限是Integer.MAX_VALUE。學(xué)過(guò)Java的人都知道這個(gè)數(shù)其實(shí)挺大的擎值。但有界隊(duì)列例如ArrayBlockingQueue如果隊(duì)列滿了慌烧，也不會(huì)擴(kuò)容。

3.阻塞隊(duì)列常用方法

在阻塞隊(duì)列中有很多方法鸠儿，而且都非常相似屹蚊，這里我把常用的8個(gè)方法總結(jié)了一下以添加、刪除為主进每。主要分為三類：

• 拋出異常：add汹粤、remove、element
• 返回結(jié)果但是不拋出異常：offer田晚、poll嘱兼、peek、
• 阻塞：take贤徒、put芹壕、

3.1 拋出異常：add汇四、remove、element

add方法是往隊(duì)列里面添加一個(gè)元素踢涌，如果隊(duì)列滿了通孽，就會(huì)拋出異常來(lái)提示我們隊(duì)列已滿。

public static void main(String[] args) {
    BlockingQueue<Integer> blockingQueue=new ArrayBlockingQueue<>(2);
    blockingQueue.add(1);
    blockingQueue.add(1);
    blockingQueue.add(1);
}

這里我們指定隊(duì)列容量為2斯嚎，并且嘗試加入3個(gè)值利虫。超過(guò)了容量上限就會(huì)報(bào)IllegalStateException的錯(cuò)誤。

remove方法是刪除元素堡僻，如果我們隊(duì)列為空的時(shí)候又進(jìn)行了刪除操作糠惫，同樣會(huì)報(bào)NoSuchElementException。

public static void main(String[] args) {
    BlockingQueue<Integer> blockingQueue=new ArrayBlockingQueue<>(2);
    blockingQueue.add(1);
    blockingQueue.add(1);
    blockingQueue.remove();
    blockingQueue.remove();
    blockingQueue.remove();
}

這里我們指定容量為2钉疫，并且添加兩個(gè)元素硼讽，然后刪除三個(gè)元素。結(jié)果如下

element方法是返回隊(duì)列的頭節(jié)點(diǎn)牲阁，但是不會(huì)刪除這個(gè)元素固阁。當(dāng)隊(duì)列為空時(shí)同樣會(huì)報(bào)NoSuchElementException的錯(cuò)誤

public static void main(String[] args) {
    BlockingQueue<Integer> blockingQueue=new ArrayBlockingQueue<>(2);
    blockingQueue.element();
}

3.2返回結(jié)果但是不拋出異常offer、poll城菊、peek

offer方法用來(lái)插入一個(gè)元素备燃，如果插入成功會(huì)返回true，如果隊(duì)列滿了凌唬，再插入元素不會(huì)拋出異常但是會(huì)返回false并齐。

public static void main(String[] args) {
    BlockingQueue<Integer> blockingQueue=new ArrayBlockingQueue<>(2);
    System.out.println(blockingQueue.offer(1));
    System.out.println(blockingQueue.offer(1));
    System.out.println(blockingQueue.offer(1));
}

poll方法和remove方法是對(duì)應(yīng)的都是刪除元素，都會(huì)返回刪除的元素客税，但是當(dāng)隊(duì)列為空時(shí)則會(huì)返回null

public static void main(String[] args) {
    BlockingQueue<Integer> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(2);
    blockingQueue.offer(1);
    blockingQueue.offer(1);
    System.out.println(blockingQueue.poll());
    System.out.println(blockingQueue.poll());
    System.out.println(blockingQueue.poll());

}

peek方法和element方法對(duì)應(yīng)况褪，返回隊(duì)列的頭節(jié)點(diǎn)但并不刪除，如果隊(duì)列為空則直接返回null

public static void main(String[] args) {
    BlockingQueue<Integer> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(2);
    System.out.println(blockingQueue.peek());

}

帶超時(shí)時(shí)間的offer和poll

offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)

它有三個(gè)參數(shù)更耻，分別是元素测垛、超時(shí)時(shí)長(zhǎng)和時(shí)間單位。通常情況下秧均，這個(gè)方法會(huì)插入成功并且返回true食侮；如果隊(duì)列滿了導(dǎo)致插入不成功，在調(diào)用帶超時(shí)時(shí)間重載方法的offer的時(shí)候目胡，則會(huì)等待指定的超時(shí)時(shí)間锯七，如果到了時(shí)間依然沒(méi)有插入成功，則返回false讶隐。

E poll(long timeout, TimeUnit unit)

這個(gè)帶參數(shù)的poll和上面的offer類似。如果能夠移除久又，便會(huì)立即返回這個(gè)節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容巫延；如果超過(guò)了我們定義的超時(shí)時(shí)間依然沒(méi)有元素可以移除效五，便會(huì)返回null作為提示。

3.2 阻塞put和take

put方法的作用是插入元素炉峰，通常在隊(duì)列沒(méi)有滿的時(shí)候是正常插入畏妖。如果隊(duì)列滿了無(wú)法繼續(xù)插入，這時(shí)它不會(huì)立刻返回false和拋出異常疼阔，而是讓插入的線程進(jìn)入阻塞狀態(tài)戒劫，直到隊(duì)列里面有空閑空間了。此時(shí)隊(duì)列就會(huì)讓之前的線程接觸阻塞狀態(tài)婆廊，并把剛才那個(gè)元素添加進(jìn)去迅细。 take方法的作用是獲取并移除隊(duì)列的頭節(jié)點(diǎn)。通常隊(duì)列里面有元素會(huì)正常取出數(shù)據(jù)并移除淘邻；但是如果執(zhí)行take的時(shí)候隊(duì)列里無(wú)數(shù)據(jù)茵典，則阻塞，直到隊(duì)列里面有數(shù)據(jù)以后宾舅，就會(huì)立即解除阻塞狀態(tài)统阿，并且取到數(shù)據(jù)。 搞了個(gè)總結(jié)可以看一下

4.常見(jiàn)的阻塞隊(duì)列

4.1 ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue是最典型的有界隊(duì)列筹我，其內(nèi)部是用數(shù)組存儲(chǔ)元素的扶平，利用Reentrant實(shí)現(xiàn)線程安全

public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
   this(capacity, false);
}

public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
   if (capacity <= 0)
       throw new IllegalArgumentException();
   this.items = new Object[capacity];
   lock = new ReentrantLock(fair);
   notEmpty = lock.newCondition();
   notFull =  lock.newCondition();
}

我們?cè)趧?chuàng)建它的時(shí)候就需要指定它的容量，之后也不可以在擴(kuò)容了蔬蕊，在構(gòu)造函數(shù)中我們同樣可以指定是否是公平的结澄。如果ArrayBlockingQueue被設(shè)置為非公平的，那么就存在插隊(duì)的可能袁串；如果設(shè)置為公平的概而，那么等待了最長(zhǎng)時(shí)間的線程會(huì)優(yōu)先被處理，其它線程不允許插隊(duì)囱修。

4.2 LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue內(nèi)部使用鏈表實(shí)現(xiàn)的赎瑰，如果我們不指定它的初始容量，那么它的默認(rèn)容量就為整形的最大值Integer.MAX_VALUE,由于這個(gè)數(shù)特別特別的大破镰，所以它也被稱為無(wú)界隊(duì)列餐曼。

4.3 SynchronousQueue

SynchronousQueue最大的不同之處在于，它的容量不同鲜漩，所以沒(méi)有地方來(lái)暫存元素源譬，導(dǎo)致每次取數(shù)據(jù)都要先阻塞，直到有數(shù)據(jù)放入孕似；同理踩娘，每次放數(shù)據(jù)的時(shí)候也會(huì)阻塞，直到有消費(fèi)者來(lái)取喉祭。SynchronousQueue的容量不是1而是0养渴，因?yàn)镾ynchronousQueue不需要去持有元素雷绢，它做的就是直接傳遞。

4.4 PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是一個(gè)支持優(yōu)先級(jí)的無(wú)界阻塞隊(duì)列理卑，可以通過(guò)自定義類實(shí)現(xiàn)compareTo()方法來(lái)制定元素排序規(guī)則翘紊，或者初始化時(shí)通過(guò)構(gòu)造器參數(shù)Comparator來(lái)制定排序規(guī)則。同時(shí)藐唠，插入隊(duì)列的對(duì)象必須是可比較大小的帆疟，也就是Comparable的，否則就會(huì)拋出ClasscastException異常宇立。
它的take方法在隊(duì)列為空時(shí)會(huì)阻塞踪宠，但是正因?yàn)樗菬o(wú)界隊(duì)列，而且會(huì)自動(dòng)擴(kuò)容泄伪，所以它的隊(duì)列永遠(yuǎn)不會(huì)滿殴蓬，所以它的put()方法永遠(yuǎn)不會(huì)阻塞，添加操作始終都會(huì)成功蟋滴。

4.5 DelayQueue

Delay這個(gè)隊(duì)列比較特殊染厅，具有延遲的功能，我們可以設(shè)定在隊(duì)列中的任務(wù)延遲多久之后執(zhí)行津函。它是無(wú)界隊(duì)列肖粮，但是放入的元素必須實(shí)現(xiàn)Delayed接口，而Delayed接口又繼承了Comparable接口尔苦，所以自然就擁有了比較和排序的能力.

public interface Delayed extends Comparable<Delayed> {

    /**
     * Returns the remaining delay associated with this object, in the
     * given time unit.
     *
     * @param unit the time unit
     * @return the remaining delay; zero or negative values indicate
     * that the delay has already elapsed
     */
    long getDelay(TimeUnit unit);
}

可以看出這個(gè)Delayed接口繼承自Comparable涩馆，里面需要涉嫌getDelay.這里的getDelay方法返回的是還剩下多長(zhǎng)的延遲時(shí)間才會(huì)被執(zhí)行。如果返回0或者負(fù)數(shù)則代表任務(wù)已過(guò)期允坚。元素會(huì)根據(jù)延遲時(shí)間的長(zhǎng)短被放到隊(duì)列的不同位置魂那，越靠近隊(duì)列頭代表越早過(guò)期。

5 阻塞和非阻塞隊(duì)列的并發(fā)安全原理是什么

5.1阻塞隊(duì)列-以ArrayBlockingQueue為例

先來(lái)看一下ArrayBlockingQueue的幾個(gè)重要屬性

//用于存放元素的數(shù)組
final Object[] items;
//下一次讀取的位置
int takeIndex;
// 下一次寫(xiě)入的位置
int putIndex;
// 隊(duì)列中元素的數(shù)量
int count;
/*
 * 用于控制并發(fā)的工具類
 */
/** Main lock guarding all access */
final ReentrantLock lock;
/** Condition for waiting takes */
private final Condition notEmpty;
/** Condition for waiting puts */
private final Condition notFull;

ArrayBlockingQueue實(shí)現(xiàn)并發(fā)同步的原理就是利用ReentrantLock和它的倆個(gè)Condition稠项，讀操作和寫(xiě)操作都需要先獲取到ReentrantLock獨(dú)占鎖才能進(jìn)行下一步操作涯雅。進(jìn)行讀操作時(shí)如果隊(duì)列為空，線程就會(huì)進(jìn)入到讀線程專屬的notEmpty的Condition的隊(duì)列中去排隊(duì)展运，等待寫(xiě)線程寫(xiě)入新的元素活逆；同理隊(duì)列已滿，這個(gè)時(shí)候?qū)懖僮鞯木€程進(jìn)入到寫(xiě)線程專屬的notFull隊(duì)列中去排隊(duì)拗胜，等待讀線程將隊(duì)列元素移除并騰出空間蔗候。
看一下ArrayBlockingQueue的put方法。

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();
    }
}

在put方法中埂软，首先用checkNotNull方法檢查插入的元素是不是null锈遥，如果不是null，我們會(huì)用Reentrantlock上鎖，并且使用的上鎖方法是lock.lockInterruptibly()所灸。這個(gè)方法在獲取鎖的同時(shí)是可以相應(yīng)中斷的儿礼，這也正是我們的阻塞隊(duì)列調(diào)用put方法時(shí)，在嘗試獲取鎖但還沒(méi)拿到鎖的期間可以響應(yīng)中斷的底層原因庆寺。緊接著在while循環(huán)中，它會(huì)檢查當(dāng)前隊(duì)列是不是已經(jīng)滿了诉字，也就是count的長(zhǎng)度是否等于數(shù)組長(zhǎng)度懦尝。如果等于代表已經(jīng)滿了，于是我們便會(huì)進(jìn)行等待壤圃，直到有空余的時(shí)候陵霉，我們才會(huì)執(zhí)行下一步操作，調(diào)用enqueue方法讓元素進(jìn)入隊(duì)列伍绳，最后用unlock方法解鎖踊挠。

5.2 非阻塞隊(duì)列ConcurrentLinkedQueue

public boolean offer(E e) {
    checkNotNull(e);
    final Node<E> newNode = new Node<E>(e);

    for (Node<E> t = tail, p = t;;) {
        Node<E> q = p.next;
        if (q == null) {
            // p is last node
            if (p.casNext(null, newNode)) {
                // Successful CAS is the linearization point
                // for e to become an element of this queue,
                // and for newNode to become "live".
                if (p != t) // hop two nodes at a time
                    casTail(t, newNode);  // Failure is OK.
                return true;
            }
            // Lost CAS race to another thread; re-read next
        }
        else if (p == q)
            // We have fallen off list.  If tail is unchanged, it
            // will also be off-list, in which case we need to
            // jump to head, from which all live nodes are always
            // reachable.  Else the new tail is a better bet.
            p = (t != (t = tail)) ? t : head;
        else
            // Check for tail updates after two hops.
            p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q;
    }
}

通過(guò)源碼我們可以清晰的看出，非阻塞隊(duì)列ConcurrentLinkedQueue它的主要流程就是在判空以后冲杀，會(huì)進(jìn)入一個(gè)大循環(huán)中效床，p.casNext()方法，這個(gè)方法正是利用了CAS來(lái)操作的权谁，這個(gè)死循環(huán)去配合CAS其實(shí)就是我們平時(shí)說(shuō)的樂(lè)觀鎖的思想剩檀。其實(shí)非阻塞隊(duì)列ConcurrentLickedQueue使用CAS非阻塞算法+不停重試的實(shí)際來(lái)實(shí)現(xiàn)線程安全的。

6 線程池對(duì)于阻塞隊(duì)列的選擇

• FixedThreadPool選取的是LinkedBlcokingQueue（同理SingleThreadExecutor） 首先我們知道LinkedBlockingQueu默認(rèn)是無(wú)限長(zhǎng)的旺芽，而FixedThreadPool的線程數(shù)是固定的沪猴，當(dāng)核心線程數(shù)都在被使用時(shí)，這個(gè)時(shí)候如果進(jìn)來(lái)新的任務(wù)會(huì)被放進(jìn)阻塞隊(duì)列中采章。由于隊(duì)列是沒(méi)有容量上限的运嗜，隊(duì)列永遠(yuǎn)不會(huì)被填滿，這樣就保證了線程池FixedThreadPool和SingleThreadExecutor悯舟，不會(huì)拒絕新任務(wù)的提交担租，也不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。
• CachedThreadPool選取的是SynchronousQueue 首先CachedThreadPool的線程最大數(shù)量是無(wú)限的图谷，也就意味著它的線程數(shù)不會(huì)受限制翩活，那么它就不需要額外的空間來(lái)存儲(chǔ)那些Task，因?yàn)槊總€(gè)任務(wù)都可以通過(guò)新建線程來(lái)處理便贵。SynchronousQueue會(huì)直接把任務(wù)交給線程菠镇，不保存它們，效率更好承璃。
• ScheduledThreadPool選取的是延遲隊(duì)列
• 對(duì)于ScneduledThreadPool而言利耍，它使用的是DelayedWorkQueue，延遲隊(duì)列的特點(diǎn)是：不是先進(jìn)先出，而是會(huì)按照延遲時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)排序隘梨，下一個(gè)即將執(zhí)行的任務(wù)會(huì)排到隊(duì)列的最前面程癌。選擇使用延遲隊(duì)列的原因是，ScheduledThreadPool處理的是基于時(shí)間而執(zhí)行的Task轴猎，而延遲隊(duì)列有能力把Task按照?qǐng)?zhí)行時(shí)間的