10分鐘搞定 Java 并發(fā)隊列好嗎种蘸？好的

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你有一個思想蜡感，我有一個思想情连，我們交換后，一個人就有兩個思想

If you can NOT explain it simply, you do NOT understand it well enough

現(xiàn)陸續(xù)將Demo代碼和技術(shù)文章整理在一起 Github實踐精選，方便大家閱讀查看，本文同樣收錄在此攘轩，覺得不錯，還請Star

前言

如果按照用途與特性進行粗略的劃分蜻势，JUC 包中包含的工具大體可以分為 6 類：

執(zhí)行者與線程池
并發(fā)隊列
同步工具
并發(fā)集合
鎖
原子變量

在并發(fā)系列中撑刺，主要講解了 執(zhí)行者與線程池鹉胖，同步工具握玛，鎖 ，在分析源碼時甫菠，或多或少的提及到了「隊列」挠铲，隊列在 JUC 中也是多種多樣存在，所以本文就以「遠看」視角寂诱，幫助大家快速了解與區(qū)分這些看似「雜亂」的隊列

并發(fā)隊列

Java 并發(fā)隊列按照實現(xiàn)方式來進行劃分可以分為 2 種：

阻塞隊列
非阻塞隊列

如果你已經(jīng)看完并發(fā)系列鎖的實現(xiàn)拂苹，你已經(jīng)能夠知道他們實現(xiàn)的區(qū)別：

前者就是基于鎖實現(xiàn)的，后者則是基于 CAS 非阻塞算法實現(xiàn)的

常見的隊列有下面這幾種：

瞬間懵逼痰洒？看到這個沒有人性的圖想直接走人瓢棒？客觀先別急浴韭，一會就柳暗花明了

當(dāng)下你也許有個問題：

為什么會有這么多種隊列的存在？

鎖有應(yīng)對各種情形的鎖脯宿，隊列也自然有應(yīng)對各種情形的隊列了, 是不是也有點單一職責(zé)原則的意思呢念颈？

所以我們要了解這些隊列到底是怎么設(shè)計的？以及用在了哪些地方连霉？

先來看下圖

如果你在 IDE 中打開以上非阻塞隊列和阻塞隊列榴芳，查看其實現(xiàn)方法，你就會發(fā)現(xiàn)跺撼，阻塞隊列較非阻塞隊列 額外支持兩種操作：

阻塞的插入

當(dāng)隊列滿時窟感，隊列會阻塞插入元素的線程，直到隊列不滿
阻塞的移除

當(dāng)隊列為空時歉井，獲取元素的線程會阻塞柿祈，直到隊列變?yōu)榉强?/p>

綜合說明入隊/出隊操作，看似雜亂的方法酣难，用一個表格就能概括了

拋出異常

當(dāng)隊列滿時谍夭，此時如果再向隊列中插入元素，會拋出 IllegalStateException （這很好理解）
當(dāng)隊列空時憨募，此時如果再從隊列中獲取元素紧索，會拋出 NoSuchElementException （這也很好理解）

返回特殊值

當(dāng)向隊列插入元素時，會返回元素是否插入成功菜谣，成功則返回 true
當(dāng)從隊列移除元素時珠漂，如果沒有則返回 null

一直阻塞

當(dāng)隊列滿時，如果生產(chǎn)者線程向隊列 put 元素尾膊，隊列會一直阻塞生產(chǎn)者線程媳危，直到隊列可用或者響應(yīng)中斷退出
當(dāng)隊列為空時，如果消費者線程 從隊列里面 take 元素冈敛，隊列會阻塞消費者線程待笑，直到隊列不為空

關(guān)于阻塞，我們其實早在并發(fā)編程之等待通知機制就已經(jīng)充分說明過了抓谴，你還記得下面這張圖嗎暮蹂？原理其實是一樣一樣滴

超時退出

和鎖一樣，因為有阻塞癌压，為了靈活使用仰泻，就一定支持超時退出，阻塞時間達到超時時間滩届，就會直接返回

至于為啥插入和移除這么多種單詞表示形式集侯，我也不知道，為了方便記憶，只需要記住阻塞的方法形式即可：

單詞 put 和 take 字母 t 首位相連棠枉，一個放浓体，一個拿

到這里你應(yīng)該對 Java 并發(fā)隊列有了個初步的認(rèn)識了，原來看似雜亂的方法貌似也有了規(guī)律辈讶。接下來就到了瘋狂串知識點的時刻了汹碱，借助前序章節(jié)的知識，分分鐘就理解全部隊列了

ArrayBlockingQueue

之前也說過荞估，JDK中的命名還是很講究滴咳促，一看這名字，底層就是數(shù)組實現(xiàn)了勘伺，是否有界跪腹，那就看在構(gòu)造的時候是否需要指定 capacity 值了

填鴨式的說明也容易忘，這些都是哪看到的呢飞醉？在所有隊列的 Java docs 的第一段冲茸，一句話就概括了該隊列的主要特性，所以強烈建議大家自己在看源碼時缅帘，簡單瞄一眼 docs 開頭轴术，心中就有多半個數(shù)了

在講 Java AQS隊列同步器以及ReentrantLock的應(yīng)用時我們介紹了公平鎖與非公平鎖的概念，ArrayBlockingQueue 也有同樣的概念钦无，看它的構(gòu)造方法逗栽，就有 ReentrantLock 來輔助實現(xiàn)

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();
}

默認(rèn)情況下，依舊是不保證線程公平訪問隊列（公平與否是指阻塞的線程能否按照阻塞的先后順序訪問隊列失暂，先阻塞線訪問彼宠，后阻塞后訪問）

到這我也要臨時問一個說過多次的面試送分題了：

為什么默認(rèn)采用非公平鎖的方式？它較公平鎖方式有什么好處弟塞，又可能帶來哪些問題凭峡？

知道了以上內(nèi)容，結(jié)合上面表格中的方法决记，ArrayBlockingQueue 就可以輕松過關(guān)了

和數(shù)組相對的自然是鏈表了

LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue 也算是一個有界阻塞隊列摧冀，從下面的構(gòu)造函數(shù)中你也可以看出，該隊列的默認(rèn)和最大長度為 Integer.MAX_VALUE 系宫，這也就 docs 說 optionally-bounded 的原因了

public LinkedBlockingQueue() {
    this(Integer.MAX_VALUE);
}

public LinkedBlockingQueue(int capacity) {
  if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
  this.capacity = capacity;
  last = head = new Node<E>(null);
}

正如 Java 集合一樣索昂，鏈表形式的隊列，其存取效率要比數(shù)組形式的隊列高笙瑟。但是在一些并發(fā)程序中楼镐，數(shù)組形式的隊列由于具有一定的可預(yù)測性癞志，因此可以在某些場景中獲得更高的效率

看到 LinkedBlockingQueue 是不是也有些熟悉呢往枷？為什么要使用線程池? 就已經(jīng)和它多次照面了

創(chuàng)建單個線程池

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
    return new FinalizableDelegatedExecutorService
        (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                                0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}

創(chuàng)建固定個數(shù)線程池

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
    return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                  0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                  new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}

面試送分題又來了

使用 Executors 創(chuàng)建線程池很簡單，為什么大廠嚴(yán)格要求禁用這種創(chuàng)建方式呢？

PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue 是一個支持優(yōu)先級的無界的阻塞隊列错洁，默認(rèn)情況下采用自然順序升序排列秉宿，當(dāng)然也有非默認(rèn)情況自定義優(yōu)先級，需要排序屯碴，那自然要用到 Comparator 來定義排序規(guī)則了

可以定義優(yōu)先級描睦，自然也就有相應(yīng)的限制，以及使用的注意事項

按照上圖說明导而，隊列中不允許存在 null 值忱叭，也不允許存在不能排序的元素

對于排序值相同的元素，其序列是不保證的今艺，但你可以繼續(xù)自定義其他可以區(qū)分出來優(yōu)先級的值韵丑，如果你有嚴(yán)格的優(yōu)先級區(qū)分，建議有更完善的比較規(guī)則虚缎，就像 Java docs 這樣

 class FIFOEntry<E extends Comparable<? super E>>
     implements Comparable<FIFOEntry<E>> {
   static final AtomicLong seq = new AtomicLong(0);
   final long seqNum;
   final E entry;
   public FIFOEntry(E entry) {
     seqNum = seq.getAndIncrement();
     this.entry = entry;
   }
   public E getEntry() { return entry; }
   public int compareTo(FIFOEntry<E> other) {
     int res = entry.compareTo(other.entry);
     if (res == 0 && other.entry != this.entry)
       res = (seqNum < other.seqNum ? -1 : 1);
     return res;
   }
 }

隊列容量是沒有上限的撵彻，但是如果插入的元素超過負(fù)載，有可能會引起OutOfMemory異常（這是肯定的）实牡，這也是為什么我們通常所說陌僵，隊列無界，心中有界
PriorityBlockingQueue 也有 put 方法创坞，這是一個阻塞的方法碗短，因為它是無界的，自然不會阻塞题涨，所以就有了下面比較聰明的做法
```
public void put(E e) {
    offer(e); // never need to block  請自行對照上面表格
}
```
可以給定初始容量豪椿，這個容量會按照一定的算法自動擴充
```
// Default array capacity.
private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 11;

public PriorityBlockingQueue() {
    this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, null);
}
```
這里默認(rèn)的容量是 11，由于也是基于數(shù)組携栋，那面試送分題又來了

你通常是怎樣定義容器/集合初始容量的搭盾？有哪些依據(jù)？

DelayQueue

DelayQueue 是一個支持延時獲取元素的無界阻塞隊列

是否延時肯定是和某個時間(通常和當(dāng)前時間) 進行比較
比較過后還要進行排序婉支，所以也是存在一定的優(yōu)先級

看到這也許覺得這有點和 PriorityBlockingQueue 很像鸯隅，沒錯，DelayQueue 的內(nèi)部也是使用 PriorityQueue

上圖綠色框線也告訴你向挖，DelayQueue 隊列的元素必須要實現(xiàn) Depayed 接口：

所以從上圖可以看出使用 DelayQueue 非常簡單蝌以，只需要兩步：

實現(xiàn) getDelay() 方法，返回元素要延時多長時間

public long getDelay(TimeUnit unit) {
    // 最好采用納秒形式何之，這樣更精確
    return unit.convert(time - now(), NANOSECONDS);
}

實現(xiàn) compareTo() 方法跟畅，比較元素順序

public int compareTo(Delayed other) {
    if (other == this) // compare zero if same object
        return 0;
    if (other instanceof ScheduledFutureTask) {
        ScheduledFutureTask<?> x = (ScheduledFutureTask<?>)other;
        long diff = time - x.time;
        if (diff < 0)
            return -1;
        else if (diff > 0)
            return 1;
        else if (sequenceNumber < x.sequenceNumber)
            return -1;
        else
            return 1;
    }
    long diff = getDelay(NANOSECONDS) - other.getDelay(NANOSECONDS);
    return (diff < 0) ? -1 : (diff > 0) ? 1 : 0;
}

上面的代碼哪來的呢？如果你打開 ScheduledThreadPoolExecutor 里的 ScheduledFutureTask溶推，你就看到了（ScheduledThreadPoolExecutor 內(nèi)部就是應(yīng)用 DelayQueue）

所以綜合來說徊件，下面兩種情況非常適合使用 DelayQueue

緩存系統(tǒng)的設(shè)計：用 DelayQueue 保存緩存元素的有效期奸攻，使用一個線程循環(huán)查詢 DelayQueue，如果能從 DelayQueue 中獲取元素虱痕，說明緩存有效期到了
定時任務(wù)調(diào)度：用 DelayQueue 保存當(dāng)天會執(zhí)行的任務(wù)以及時間睹耐，如果能從 DelayQueue 中獲取元素，任務(wù)就可以開始執(zhí)行了部翘。比如 TimerQueue 就是這樣實現(xiàn)的

SynchronousQueue

這是一個不存儲元素的阻塞隊列硝训，不存儲元素還叫隊列？

沒錯新思，SynchronousQueue 直譯過來叫同步隊列窖梁，如果在隊列里面呆久了應(yīng)該就算是“異步”了吧

所以使用它，每個put() 操作必須要等待一個 take() 操作夹囚，反之亦然窄绒，否則不能繼續(xù)添加元素

實際中怎么用呢？假如你需要兩個線程之間同步共享變量崔兴，如果不用 SynchronousQueue 你可能會選擇用 CountDownLatch 來完成彰导，就像這樣：

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);
AtomicInteger sharedState = new AtomicInteger();
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1);



Runnable producer = () -> {
    Integer producedElement = ThreadLocalRandom
      .current()
      .nextInt();
    sharedState.set(producedElement);
    countDownLatch.countDown();
};



Runnable consumer = () -> {
    try {
        countDownLatch.await();
        Integer consumedElement = sharedState.get();
    } catch (InterruptedException ex) {
        ex.printStackTrace();
    }
};

這點小事就用計數(shù)器來實現(xiàn)，顯然很不合適敲茄，用 SynchronousQueue 改造一下位谋，感覺瞬間就不一樣了

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);
SynchronousQueue<Integer> queue = new SynchronousQueue<>();

Runnable producer = () -> {
    Integer producedElement = ThreadLocalRandom
      .current()
      .nextInt();
    try {
        queue.put(producedElement);
    } catch (InterruptedException ex) {
        ex.printStackTrace();
    }
};

Runnable consumer = () -> {
    try {
        Integer consumedElement = queue.take();
    } catch (InterruptedException ex) {
        ex.printStackTrace();
    }
};

其實 Executors.newCachedThreadPool() 方法里面使用的就是 SynchronousQueue

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
    return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                  60L, TimeUnit.SECONDS,
                                  new SynchronousQueue<Runnable>());
}

看到前面 LinkedBlockingQueue 用在 newSingleThreadExecutor 和 newFixedThreadPool 上，而newCachedThreadPool 卻用 SynchronousQueue堰燎，這是為什么呢掏父？

因為單線程池和固定線程池中，線程數(shù)量是有限的秆剪，因此提交的任務(wù)需要在LinkedBlockingQueue隊列中等待空余的線程赊淑；

而緩存線程池中，線程數(shù)量幾乎無限（上限為Integer.MAX_VALUE）仅讽，因此提交的任務(wù)只需要在SynchronousQueue 隊列中同步移交給空余線程即可, 所以有時也會說 SynchronousQueue 的吞吐量要高于 LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue

LinkedTransferQueue

簡單來說陶缺，TransferQueue提供了一個場所，生產(chǎn)者線程使用 transfer 方法傳入一些對象并阻塞洁灵，直至這些對象被消費者線程全部取出饱岸。

你有沒有覺得，剛剛介紹的 SynchronousQueue 是否很像一個容量為 0 的 TransferQueue徽千。

但 LinkedTransferQueue 相比其他阻塞隊列多了三個方法

transfer(E e)

如果當(dāng)前有消費者正在等待消費元素苫费，transfer 方法就可以直接將生產(chǎn)者傳入的元素立刻 transfer (傳輸) 給消費者；如果沒有消費者等待消費元素双抽，那么 transfer 方法會把元素放到隊列的 tail(尾部)

節(jié)點百框，一直阻塞，直到該元素被消費者消費才返回
tryTransfer(E e)

tryTransfer牍汹，很顯然是一種嘗試铐维，如果沒有消費者等待消費元素柬泽，則馬上返回 false ，程序不會阻塞
tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit)

帶有超時限制方椎，嘗試將生產(chǎn)者傳入的元素 transfer 給消費者，如果超時時間到钧嘶，還沒有消費者消費元素棠众，則返回 false

你瞧，所有阻塞的方法都是一個套路：

阻塞方式
帶有 try 的非阻塞方式
帶有 try 和超時時間的非阻塞方式

看到這你也許感覺 LinkedTransferQueue 沒啥特點有决，其實它和其他阻塞隊列的差別還挺大的：

BlockingQueue 是如果隊列滿了闸拿，線程才會阻塞；但是 TransferQueue 是如果沒有消費元素书幕，則會阻塞（transfer 方法）

這也就應(yīng)了 Doug Lea 說的那句話：

LinkedTransferQueue is actually a superset of ConcurrentLinkedQueue, SynchronousQueue (in “fair” mode), and unbounded
LinkedBlockingQueues. And it’s made better by allowing you to mix and
match those features as well as take advantage of higher-performance i
mplementation techniques.

簡單翻譯：

LinkedTransferQueue 是ConcurrentLinkedQueue, SynchronousQueue (在公平模式下), 無界的LinkedBlockingQueues等的超集; 允許你混合使用阻塞隊列的多種特性

所以新荤，在合適的場景中，請盡量使用LinkedTransferQueue

上面都看的是單向隊列 FIFO台汇，接下來我們看看雙向隊列

LinkedBlockingDeque

LinkedBlockingDeque 是一個由鏈表結(jié)構(gòu)組成的雙向阻塞隊列苛骨，凡是后綴為 Deque 的都是雙向隊列意思，后綴的發(fā)音為deck——/dek/, 剛接觸它時我以為是這個冰激凌的發(fā)音

所謂雙向隊列值得就是可以從隊列的兩端插入和移除元素苟呐。所以：

雙向隊列因為多了一個操作隊列的入口痒芝，在多線程同時入隊是，也就會減少一半的競爭

隊列有頭牵素，有尾严衬，因此它又比其他阻塞隊列多了幾個特殊的方法

addFirst
addLast
xxxxFirst
xxxxLast
... ...

這么一看，雙向阻塞隊列確實很高效笆呆，

那雙向阻塞隊列應(yīng)用在什么地方了呢请琳？

不知道你是否聽過 “工作竊取”模式，看似不太厚道的一種方法赠幕，實則是高效利用線程的好辦法俄精。下一篇文章，我們就來看看 ForkJoinPool 是如何應(yīng)用 “工作竊取”模式的

總結(jié)

到這關(guān)于 Java 隊列（其實主要介紹了阻塞隊列）就快速的區(qū)分完了榕堰，將看似雜亂的方法做了分類整理嘀倒，方便快速理解其用途，同時也說明了這些隊列的實際用途局冰。相信你帶著更高的視角來閱讀源碼會更加輕松测蘑，最后也希望大家認(rèn)真看兩個隊列的源碼實現(xiàn)，在遇到隊列的問題康二，腦海中的畫面分分鐘就可以搞定了

參考

Java 并發(fā)編程的藝術(shù)
Java 并發(fā)編程之美
https://zhuanlan.zhihu.com/p/27148381

個人博客：https://dayarch.top

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