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1. 什麼是阻塞隊列？

阻塞隊列（BlockingQueue）是一個支持兩個附加操作的隊列。這兩個附加的操作是：在隊列為空時，獲取元素的線程會等待隊列變為非空。當隊列滿時，存儲元素的線程會等待隊列可用。阻塞隊列常用於生產者和消費者的場景，生產者是往隊列裡添加元素的線程，消費者是從隊列裡拿元素的線程。阻塞隊列就是生產者存放元素的容器，而消費者也只從容器裡拿元素。

阻塞隊列提供了四種處理方法:

拋出異常：是指當阻塞隊列滿時候，再往隊列裡插入元素，會拋出IllegalStateException("Queue full")異常。當隊列為空時，從隊列裡獲取元素時會拋出NoSuchElementException異常 。
返回特殊值：插入方法會返回是否成功，成功則返回true。移除方法，則是從隊列裡拿出一個元素，如果沒有則返回null
一直阻塞：當阻塞隊列滿時，如果生產者線程往隊列裡put元素，隊列會一直阻塞生產者線程，直到拿到數據，或者響應中斷退出。當隊列空時，消費者線程試圖從隊列裡take元素，隊列也會阻塞消費者線程，直到隊列可用。
超時退出：當阻塞隊列滿時，隊列會阻塞生產者線程一段時間，如果超過一定的時間，生產者線程就會退出。
2. Java裡的阻塞隊列

JDK7提供了7個阻塞隊列。分別是

1. ArrayBlockingQueue ：一個由數組結構組成的有界阻塞隊列。
2. LinkedBlockingQueue ：一個由鏈表結構組成的有界阻塞隊列。
3. PriorityBlockingQueue ：一個支持優先級排序的無界阻塞隊列。
4. DelayQueue：一個使用優先級隊列實現的無界阻塞隊列。
5. SynchronousQueue：一個不存儲元素的阻塞隊列。
6. LinkedTransferQueue：一個由鏈表結構組成的無界阻塞隊列。
7. LinkedBlockingDeque：一個由鏈表結構組成的雙向阻塞隊列。

ArrayBlockingQueue是一個用數組實現的有界阻塞隊列。此隊列按照先進先出（FIFO）的原則對元素進行排序。默認情況下不保證訪問者公平的訪問隊列，所謂公平訪問隊列是指阻塞的所有生產者線程或消費者線程，當隊列可用時，可以按照阻塞的先後順序訪問隊列，即先阻塞的生產者線程，可以先往隊列裡插入元素，先阻塞的消費者線程，可以先從隊列裡獲取元素。通常情況下為了保證公平性會降低吞吐量。我們可以使用以下代碼創建一個公平的阻塞隊列：

ArrayBlockingQueue fairQueue = new ArrayBlockingQueue(1000,true);

訪問者的公平性是使用可重入鎖實現的，代碼如下：

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();
}

LinkedBlockingQueue是一個用鏈表實現的有界阻塞隊列。此隊列的默認和最大長度為Integer.MAX_VALUE。此隊列按照先進先出的原則對元素進行排序。

PriorityBlockingQueue是一個支持優先級的無界隊列。默認情況下元素采取自然順序排列，也可以通過比較器comparator來指定元素的排序規則。元素按照升序排列。

DelayQueue是一個支持延時獲取元素的無界阻塞隊列。隊列使用PriorityQueue來實現。隊列中的元素必須實現Delayed接口，在創建元素時可以指定多久才能從隊列中獲取當前元素。只有在延遲期滿時才能從隊列中提取元素。我們可以將DelayQueue運用在以下應用場景：

緩存系統的設計：可以用DelayQueue保存緩存元素的有效期，使用一個線程循環查詢DelayQueue，一旦能從DelayQueue中獲取元素時，表示緩存有效期到了。
定時任務調度。使用DelayQueue保存當天將會執行的任務和執行時間，一旦從DelayQueue中獲取到任務就開始執行，從比如TimerQueue就是使用DelayQueue實現的。
隊列中的Delayed必須實現compareTo來指定元素的順序。比如讓延時時間最長的放在隊列的末尾。實現代碼如下：

public int compareTo(Delayed other) {
      if (other == this) // compare zero ONLY 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 d = (getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) -
           other.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS));
      return (d == 0) ? 0 : ((d < 0) ? -1 : 1);
    }

3.如何實現Delayed接口

我們可以參考ScheduledThreadPoolExecutor裡ScheduledFutureTask類。這個類實現了Delayed接口。首先：在對象創建的時候，使用time記錄前對象什麼時候可以使用，代碼如下：

ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns, long period) {
      super(r, result);
      this.time = ns;
      this.period = period;
      this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement();
}

然後使用getDelay可以查詢當前元素還需要延時多久，代碼如下：

public long getDelay(TimeUnit unit) {
      return unit.convert(time - now(), TimeUnit.NANOSECONDS);
    }

通過構造函數可以看出延遲時間參數ns的單位是納秒，自己設計的時候最好使用納秒，因為getDelay時可以指定任意單位，一旦以納秒作為單位，而延時的時間又精確不到納秒就麻煩了。使用時請注意當time小於當前時間時，getDelay會返回負數。

4.如何實現延時隊列

延時隊列的實現很簡單，當消費者從隊列裡獲取元素時，如果元素沒有達到延時時間，就阻塞當前線程。

long delay = first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS);
          if (delay <= 0)
            return q.poll();
          else if (leader != null)
            available.await();

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。SynchronousQueue可以看成是一個傳球手，負責把生產者線程處理的數據直接傳遞給消費者線程。隊列本身並不存儲任何元素，非常適合於傳遞性場景,比如在一個線程中使用的數據，傳遞給另外一個線程使用，SynchronousQueue的吞吐量高於LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue。

LinkedTransferQueue是一個由鏈表結構組成的無界阻塞TransferQueue隊列。相對於其他阻塞隊列，LinkedTransferQueue多了tryTransfer和transfer方法。

transfer方法。如果當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方法可以把生產者傳入的元素立刻transfer（傳輸）給消費者。如果沒有消費者在等待接收元素，transfer方法會將元素存放在隊列的tail節點，並等到該元素被消費者消費了才返回。transfer方法的關鍵代碼如下：

Node pred = tryAppend(s, haveData);
return awaitMatch(s, pred, e, (how == TIMED), nanos);

第一行代碼是試圖把存放當前元素的s節點作為tail節點。第二行代碼是讓CPU自旋等待消費者消費元素。因為自旋會消耗CPU，所以自旋一定的次數後使用Thread.yield()方法來暫停當前正在執行的線程，並執行其他線程。

tryTransfer方法。則是用來試探下生產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，則返回false。和transfer方法的區別是tryTransfer方法無論消費者是否接收，方法立即返回。而transfer方法是必須等到消費者消費了才返回。

對於帶有時間限制的tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit)方法，則是試圖把生產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返回，如果超時還沒消費元素，則返回false，如果在超時時間內消費了元素，則返回true。

LinkedBlockingDeque是一個由鏈表結構組成的雙向阻塞隊列。所謂雙向隊列指的你可以從隊列的兩端插入和移出元素。雙端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爭。相比其他的阻塞隊列，LinkedBlockingDeque多了addFirst，addLast，offerFirst，offerLast，peekFirst，peekLast等方法，以First單詞結尾的方法，表示插入，獲取（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，獲取或移除雙端隊列的最後一個元素。另外插入方法add等同於addLast，移除方法remove等效於removeFirst。但是take方法卻等同於takeFirst，不知道是不是Jdk的bug，使用時還是用帶有First和Last後綴的方法更清楚。

在初始化LinkedBlockingDeque時可以設置容量防止其過渡膨脹。另外雙向阻塞隊列可以運用在“工作竊取”模式中。

5.阻塞隊列的實現原理
本文以ArrayBlockingQueue為例，其他阻塞隊列實現原理可能和ArrayBlockingQueue有一些差別，但是大體思路應該類似，有興趣的朋友可自行查看其他阻塞隊列的實現源碼。

　　首先看一下ArrayBlockingQueue類中的幾個成員變量：

public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
 
private static final long serialVersionUID = -817911632652898426L;
 
/** The queued items */
private final E[] items;
/** items index for next take, poll or remove */
private int takeIndex;
/** items index for next put, offer, or add. */
private int putIndex;
/** Number of items in the queue */
private int count;
 
/*
* Concurrency control uses the classic two-condition algorithm
* found in any textbook.
*/
 
/** Main lock guarding all access */
private final ReentrantLock lock;
/** Condition for waiting takes */
private final Condition notEmpty;
/** Condition for waiting puts */
private final Condition notFull;
}

 　　可以看出，ArrayBlockingQueue中用來存儲元素的實際上是一個數組，takeIndex和putIndex分別表示隊首元素和隊尾元素的下標，count表示隊列中元素的個數。

　　lock是一個可重入鎖，notEmpty和notFull是等待條件。

　　下面看一下ArrayBlockingQueue的構造器，構造器有三個重載版本：

public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
}
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
 
}
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair,
             Collection<? extends E> c) {
}

 　　第一個構造器只有一個參數用來指定容量，第二個構造器可以指定容量和公平性，第三個構造器可以指定容量、公平性以及用另外一個集合進行初始化。

　　然後看它的兩個關鍵方法的實現：put()和take()：

public void put(E e) throws InterruptedException {
  if (e == null) throw new NullPointerException();
  final E[] items = this.items;
  final ReentrantLock lock = this.lock;
  lock.lockInterruptibly();
  try {
    try {
      while (count == items.length)
        notFull.await();
    } catch (InterruptedException ie) {
      notFull.signal(); // propagate to non-interrupted thread
      throw ie;
    }
    insert(e);
  } finally {
    lock.unlock();
  }
}

 　　從put方法的實現可以看出，它先獲取了鎖，並且獲取的是可中斷鎖，然後判斷當前元素個數是否等於數組的長度，如果相等，則調用notFull.await()進行等待，如果捕獲到中斷異常，則喚醒線程並拋出異常。

　　當被其他線程喚醒時，通過insert(e)方法插入元素，最後解鎖。

　　我們看一下insert方法的實現：

private void insert(E x) {
  items[putIndex] = x;
  putIndex = inc(putIndex);
  ++count;
  notEmpty.signal();
}

 　　它是一個private方法，插入成功後，通過notEmpty喚醒正在等待取元素的線程。

　　下面是take()方法的實現：

public E take() throws InterruptedException {
  final ReentrantLock lock = this.lock;
  lock.lockInterruptibly();
  try {
    try {
      while (count == 0)
        notEmpty.await();
    } catch (InterruptedException ie) {
      notEmpty.signal(); // propagate to non-interrupted thread
      throw ie;
    }
    E x = extract();
    return x;
  } finally {
    lock.unlock();
  }
}

 　　跟put方法實現很類似，只不過put方法等待的是notFull信號，而take方法等待的是notEmpty信號。在take方法中，如果可以取元素，則通過extract方法取得元素，下面是extract方法的實現：

private E extract() {
  final E[] items = this.items;
  E x = items[takeIndex];
  items[takeIndex] = null;
  takeIndex = inc(takeIndex);
  --count;
  notFull.signal();
  return x;
}

 　　跟insert方法也很類似。

　　其實從這裡大家應該明白了阻塞隊列的實現原理，事實它和我們用Object.wait()、Object.notify()和非阻塞隊列實現生產者-消費者的思路類似，只不過它把這些工作一起集成到了阻塞隊列中實現。