Java中Queue的使用详解编程语言

Queue接口与List、Set同一级别，都是继承了Collection接口。LinkedList实现了Queue接口。我们平时使用的一些常见队列都是非阻塞队列，比如PriorityQueue、LinkedList(LinkedList是双向链表，它实现了Dequeue接口)

阻塞队列与普通队列的区别在于，当队列是空的时，从队列中获取元素的操作将会被阻塞，或者当队列是满时，往队列里添加元素的操作会被阻塞。试图从空的阻塞队列中获取元素的线程将会被阻塞，直到其他的线程往空的队列插入新的元素。同样，试图往已满的阻塞队列中添加新元素的线程同样也会被阻塞，直到其他的线程使队列重新变得空闲起来，如从队列中移除一个或者多个元素，或者完全清空队列。

使用非阻塞队列的时候有一个很大问题就是：它不会对当前线程产生阻塞，那么在面对类似消费者-生产者的模型时，就必须额外地实现同步策略以及线程间唤醒策略，这个实现起来就非常麻烦。但是有了阻塞队列就不一样了，它会对当前线程产生阻塞，比如一个线程从一个空的阻塞队列中取元素，此时线程会被阻塞直到阻塞队列中有了元素。当队列中有元素后，被阻塞的线程会自动被唤醒（不需要我们编写代码去唤醒）。这样提供了极大的方便性。

一、几种主要的阻塞队列

自从Java 1.5之后，在java.util.concurrent包下提供了若干个阻塞队列，主要有以下几个：

• ArrayBlockingQueue：基于数组实现的一个阻塞队列，在创建ArrayBlockingQueue对象时必须制定容量大小。并且可以指定公平性与非公平性，默认情况下为非公平的，即不保证等待时间最长的队列最优先能够访问队列。
• LinkedBlockingQueue：基于链表实现的一个阻塞队列，在创建LinkedBlockingQueue对象时如果不指定容量大小，则默认大小为Integer.MAX_VALUE。
• PriorityBlockingQueue：以上2种队列都是先进先出队列，而PriorityBlockingQueue却不是，它会按照元素的优先级对元素进行排序，按照优先级顺序出队，每次出队的元素都是优先级最高的元素。注意，此阻塞队列为无界阻塞队列，即容量没有上限（通过源码就可以知道，它没有容器满的信号标志），前面2种都是有界队列。
• DelayQueue：基于PriorityQueue，一种延时阻塞队列，DelayQueue中的元素只有当其指定的延迟时间到了，才能够从队列中获取到该元素。DelayQueue也是一个无界队列，因此往队列中插入数据的操作（生产者）永远不会被阻塞，而只有获取数据的操作（消费者）才会被阻塞。

二、阻塞队列中的方法 VS 非阻塞队列中的方法

1、非阻塞队列中的几个主要方法：

• add(E e) : 将元素e插入到队列末尾，如果插入成功，则返回true；如果插入失败（即队列已满），则会抛出异常；
• remove() ：移除队首元素，若移除成功，则返回true；如果移除失败（队列为空），则会抛出异常；
• offer(E e) ：将元素e插入到队列末尾，如果插入成功，则返回true；如果插入失败（即队列已满），则返回false；
• poll() ：移除并获取队首元素，若成功，则返回队首元素；否则返回null；
• peek() ：获取队首元素，若成功，则返回队首元素；否则返回null

对于非阻塞队列，一般情况下建议使用offer、poll和peek三个方法，不建议使用add和remove方法。因为使用offer、poll和peek三个方法可以通过返回值判断操作成功与否，而使用add和remove方法却不能达到这样的效果。注意，非阻塞队列中的方法都没有进行同步措施。

2、阻塞队列中的几个主要方法：

阻塞队列包括了非阻塞队列中的大部分方法，上面列举的5个方法在阻塞队列中都存在，但是要注意这5个方法在阻塞队列中都进行了同步措施。除此之外，阻塞队列提供了另外4个非常有用的方法：

• put(E e) : 用来向队尾存入元素，如果队列满，则等待；
• take() : 用来从队首取元素，如果队列为空，则等待；
• offer(E e,long timeout, TimeUnit unit) : 用来向队尾存入元素，如果队列满，则等待一定的时间，当时间期限达到时，如果还没有插入成功，则返回false；否则返回true；
• poll(long timeout, TimeUnit unit) : 用来从队首取元素，如果队列空，则等待一定的时间，当时间期限达到时，如果取到，则返回null；否则返回取得的元素；

三、阻塞队列的实现原理

如果队列是空的，消费者会一直等待，当生产者添加元素时候，消费者是如何知道当前队列有元素的呢？如果让你来设计阻塞队列你会如何设计，让生产者和消费者能够高效率的进行通讯呢？让我们先来看看JDK是如何实现的。
使用通知模式实现。所谓通知模式，就是当生产者往满的队列里添加元素时会阻塞住生产者，当消费者消费了一个队列中的元素后，会通知生产者当前队列可用。通过查看JDK源码发现ArrayBlockingQueue使用了Condition来实现

 /** Main lock guarding all access */ 
final ReentrantLock lock; 
/** Condition for waiting takes */ 
private final Condition notEmpty; 
/** Condition for waiting puts */ 
private final Condition notFull; 
 
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(); 
} 
 
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair, 
                         Collection<? extends E> c) { 
    this(capacity, fair); 
 
    final ReentrantLock lock = this.lock; 
    lock.lock(); // Lock only for visibility, not mutual exclusion 
    try { 
        int i = 0; 
        try { 
            for (E e : c) { 
                checkNotNull(e); 
                items[i++] = e; 
            } 
        } catch (ArrayIndexOutOfBoundsException ex) { 
            throw new IllegalArgumentException(); 
        } 
        count = i; 
        putIndex = (i == capacity) ? 0 : i; 
    } finally { 
        lock.unlock(); 
    } 
}