java中常用的阻塞队列与非阻塞队列详解

目录

• 队列概述以及常用方法
• 1 非阻塞队列
• 1 ConcurrentLinkedQueue（线程安全）
• 2 ConcurrentLinkedDeque（线程安全）
• 3 PriorityQueue（线程不安全）
• 2 阻塞队列（线程安全）
• 1. ArrayblockingQueue
• 2. LinkedBlockingQueue
• 3. SynchronousQueue
• 4. LinkedTransferQueue
• 5. LinkedBlockingDeque
• 6. PriorityBlockingQueue
• 7. DelayQueue
• 总结

队列概述以及常用方法

队列是一个有序列表，可以用数组或者链表实现，且遵循先进先出的原则，在此基础上还分为阻塞、非阻塞、优先队列等。

Java中只要是队列都实现了Queue接口，队列接口定义的方法如下：

1 非阻塞队列

1 ConcurrentLinkedQueue（线程安全）

单向链表结构的无界并发队列, 非阻塞队列，由CAS实现线程安全

• 是否有界：无界
• 是否线程安全：是
• 性能：高

2 ConcurrentLinkedDeque（线程安全）

双向链表结构的无界并发队列, 非阻塞队列，由CAS实现线程安全，相较于ConcurrentLinkedQueue，ConcurrentLinkedDeque在某些场景下提供了更加灵活的操作，比如可以从两端进行元素的插入和删除操作。

• 是否有界：无界
• 是否线程安全：是
• 性能：略低于ConcurrentLinkedQueue

3 PriorityQueue（线程不安全）

PriorityQueue是Java中的一个基于优先级堆的队列，基于数组实现，它可以按照元素的优先级进行排序，并且在插入和删除元素时保持有序状态。具体来说，PriorityQueue中的元素必须实现Comparable接口或者通过构造函数提供一个Comparator对象，以便进行元素的比较和排序。

• 是否有界：无界
• 是否线程安全：否（如需线程安全可以使用PriorityBlockingQueue）
• 性能：比普通队列略低（插入和获取操作都需要进行堆调整和排序操作）

PriorityQueue的实现基于数组，它可以自动扩容，但是它的容量大小是有限制的。在插入和删除元素时，PriorityQueue会根据元素的优先级重新调整堆的结构，保证堆顶元素一定是优先级最高的元素。

2 阻塞队列（线程安全）

阻塞队列BlockingQueue继承了 Queue 接口，是队列的一种，阻塞队列是线程安全的，阻塞队列在队列基础上加了两个重要的接口put() take()：

注意：

在ThreadPoolExecutor中就使用的阻塞队列来实现线程的不结束，以达到线程复用。

常见阻塞队列，juc中常用的阻塞队列如下：

1. ArrayBlockingQueue

基于数组结构实现的一个有界阻塞队列，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。

它使用了同步机制来保证多个线程对队列的访问不会发生竞态条件。具体来说，ArrayBlockingQueue使用ReentrantLock和Condition来保证线程安全和队列的阻塞和唤醒。

• 是否有界：有
• 是否线程安全：是
• 性能：高

2. LinkedBlockingQueue

基于链表结构实现的一个有界阻塞队列，在创建LinkepythondBlockingQueue对象时如果不指定容量大小，则默认大小为Integer.MAX_VALUE

• 是否有界：无
• 是否线程安全：是
• 性能：性能低于ArrayBlockingQueue

LinkedBlockingQueue的实现使用了两个锁，一个用于生产者线程的访问，另一个用于消费者线程的访问。这样可以避免在高并发场景下产生竞态条件，保证了线程安全性。

LinkedBlockingQueue的性能比ArrayBlockingQueue略低，因为它使用链表而不是数组来存储元素。

但是，由于LinkedBlockingQueue是无界队列，因此它在需要动态调整容量时更加灵活，可以根据实际情况自动扩容或缩容。

总的来说，LinkedBlockingQueue是一个非常实用的数据结构，在生产者-消费者模型、线程池等多线程场景中被广泛使用。

3. SynchronousQueue

SynchronousQueue内部并不存储任何元素，它只是在等待其他线程将元素插入或删除队列时才会阻塞，每一个put操作必须等待一个take操作，否则不能继续添加元素

• 是否有界：有
• 是否线程安全：是
• 性能：-

具体来说，当一个线程调用SynchronousQueue的put()方法时，如果没有其他线程在等待从队列中取出元素，那么当前线程将会阻塞，直到有其他线程调用take()方法来取出这个元素。

同样地，当一个线程调用take()方法时，如果没有其他线程在等待向队列中插入元素，那么当前线程也会阻塞，直到有其他线程调用put()方法来插入元素。

SynchronousQueue可以用于一些特殊的场景，例如在生产者和消费者之间进行高效的交互。在这种情况下，生产者线程将元素直接交给消费者线程处理，而不需要通过中间缓存。另外，SynchronousQueue还可以用于实现一些并发算法和数据结构，例如公平的交换器（Fair Exchanger）。

需要注意的是，SynchronousQueue不允许null元素，如果试图插入null元素，将会抛出NullPointerException。

4. LinkedTransferQueue

基于链表结构实现的一个无界阻塞队列，是 SynchronousQueue 和 LinkedBlockingQueue 的合体，它使用了CAS（Compare and Swap）操作来保证并发安全性，与其他阻塞队列不同，LinkedTransferQueue内部使用了多个节点来实现队列，每个节点包含一个元素以及指向下一个节点的指针，这种方式可以避免在并发场景下使用锁导致的性能瓶颈，性能比 LinkedBlockingQueue 更高（没有锁操作），比 SynchronousQueue能存储更多的元素

• 是否有界：无
• 是否线程安全：是
• 性能：高

TransferQueue接口相较普通的阻塞队列，增加了这么几个方法：

public interface TransferQueue<E> extends BlockingQueue<E> {
    // 如果可能，立即将元素转移给等待的消费者。 
    // 更确切地说，如果存在消费者已经等待接收它（在 take 或 timed poll（long，TimeUnit）poll）中，则立即传送指定的元素，否则返回 false。
    boolean tryTransfer(E e);

    // 将元素转移给消费者，如果需要的话等待。 
    // 更准确地说，如果存在一个消费者已经等待接收它（在 take 或timed poll（long，TimeUnit）poll）中，则立即传送指定的元素，否则等待直到元素由消费者接收。
    void transfer(E e) throws InterruptedException;

    // 上面方法的基础上设置超时时间
    boolean tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

    // 如果至少有一位消费者在等待，则返回 true
    boolean hasWaitingConsumer();

    // 返回等待消费者人数的估计值
    int getWaitingConsumerCount();
}

但是在使用LinkedTransferQueue时，需要注意一些细节：

• LinkedTransferQueue不支持null元素，如果插入null元素将会抛出NullPointerException异常。
• 在使用transfer()方法时，如果队列已满或为空，调用transfer()方法的线程将会被阻塞，直到另一个线程将元素插入或取走。因此，在使用transfer()方法时需要注意线程的阻塞问题，避免出现死锁或线程饥饿的情况。
• LinkedTransferQueue的迭代器只能用于遍历当前队列中的元素，无法保证在迭代期间队列中的元素不被修改或删除。

5. LinkedBlockingDeque

基于双向链表结构实现的一个双向阻塞队列，它可以同时从队列的两端插入和删除元素，因此支持队列和栈的操作。

• 是否有界：无界，但是可以设置队列上限
• 是否线程安全：是
• 性能：高

使用LinkedBlockingDeque时需要注意以下几点：

• LipythonnkedBlockingDeque不支持null元素，如果插入null元素将会抛出NullPointerException异常。
• LinkedBlockingDeque的阻塞特性可能会导致线程饥饿，即某些线程一直无法获得访问队列的机会。为避免这种情况，可以在创建LinkedBlockinGPlPlrfRgDeque时指定容量，或者使用putFirst()、putLast()、takeFirst()、takeLast()等非阻塞操作。

6. PriorityBlockingQueue

基于优先级的阻塞队列，它使用数组实现，并且具有无界限的容量，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。

PriorityBlockingQueue的注意事项如下：

• PriorityBlockingQueue允许插入null元素，但是不允许插入不可比较的元素，如果插入不可比较的元素，将会抛出ClassCastException异常。
• PriorityBlockingQueue的迭代顺序并不是按照元素的优先级顺序排列的。虽然PriorityBlockingQueue能够保证每次取出的元素都是优先级最高的元素，但是在迭代PriorityBlockingQueue时，它的顺序是无法保证的。
• PriorityBlockingQueue在插入元素时，会根据元素的优先级对元素进行排序。因此，如果队列中的元素的优先级发生了变化，需要调用队列中的元素的offer、add、put方法重新排序。
• PriorityBlockingQueue不支持remove(Object)操作，因为它无法快速地找到并删除指定元素。如果需要删除指定元素，可以先将PriorityBlockingQueue中的元素复制到另一个集合中，然后再从新集合中删除指定元素，最后将新集合中的元素重新添加到PriorityBlockingQueue中。
• PriorityBlockingQueue在迭代、插入和删除元素时，都使用了ReentrantLock来保证线程安全。因此，在使用PriorityBlockingQueue时需要注意避免死锁和饥饿等问题。

简单示例：

import java.util.concurrent.PriorityBlockingQueue;

public class Task implements Comparable<Task> {
    private String name;
    private int priority;

    public Task(String name, int priority) {
        this.name = name;
        this.priority = priority;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public int getPriority() {
        return priority;
    }

    @Override
    public int compareTo(Task o) {
        return Integer.compare(o.priority, this.priority);
    }
}

public class PriorityBlockingQueueExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个PriorityBlockingQueue对象
        PriorityBlockingQueue<Task> queue = new PriorityBlockingQueue<Task>();
        // 添加任务到队列中
        queue.offer(new Task("Task1", 3));
        queue.offer(new Task("Task2", 2));
        queue.offer(new Task("Task3", 1));
        // 取出队列中的任务
        while (!queue.isEmpty()) {
            Task task = queue.poll();
            System.out.println("Execute task " + task.getName() + " with priority " + task.getPriority());
        }
    }
}

输出结果:

Execute task Task1 with priority 3

Execute task Task2 with priority 2

Execute task Task3 with priority 1

7. DelayQueue

是一种延时阻塞队列，它可以存储实现了Delayed接口的元素，其中每个元素都有一个过期时间，即当元素的过期时间到达时，元素会被取出

• 是否有界：无界的，但是在实际应用中，我们可以通过指定初始容量来控制队列的大小，以避免内存溢出等问题。
• 是否线程安全：是
• 性能：性能要比普通的阻塞队列略低（插入和获取操作都需要进行堆调整和排序操作）

DelayQueue内部使用PriorityQueue实现，元素会按照过期时间排序，即过期时间最短的元素排在队列的头部。DelayQueue的插入操作是非阻塞的，但是取出操作是阻塞的，即当队列中没有过期元素时，取出操作会一直被阻塞，直到队列中有过期元素被插入。

使用DelayQueue时需要注意以下几点：

• DelayQueue的元素必须实现Delayed接口，并重写getDelay()和compareTo()方法，其中getDelay()方法返回元素的过期时间距当前时间的剩余时间（单位为毫秒），compareTo()方法用于比较元素的过期时间。
• DelayQueue内部使用ReentrantLock和Condition实现线程同步和阻塞操作，因此是线程安全的。
• DelayQueue的取出操作可能会被阻塞，如果需要在队列为空时立即返回，可以使用poll()方法而不是take()方法。
• DelayQueue在理论上是无界的，因为它使用PriorityQueue来存储元素，PriorityQueue的长度是没有限制的。但是，如果你想控制DelayQueue的大小，你可以在创建DelayQueue实例时指定一个初始容量。

DelayQueue<DelayedTask> queue = new DelayQueue<DelayedTask>(new ArrayList<DelayedTask>(capacity));

下面是一个简单的使用DelayQueue的示例代码，在取出元素时，队列会自动按照元素的过期时间进行排序，并等待元素过期后再取出。

注意，在实际使用中，需要根据具体的业务场景来设置元素的过期时间和比较方式：

import java.util.concurrent.DelayQueue;
import java.util.concurrent.Delayed;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class DelayQueueDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        DelayQueue<DelayElement> queue = new DelayQueue<>();

        // 添加元素到队列
        queue.add(new DelayElement("A", 3000));
        queue.add(new DelayElement("B", 2000));
        queue.add(new DelayElement("C", 1000));

        // 取出元素
        System.out.println(queue.take());
        System.out.println(queue.take());
        System.out.println(queue.take());
    }
}

class DelayElement implements Delayed {
    private String name;
    private long expireTime;

    public DelayElement(String name, long delayTime) {
        this.name = name;
        this.expireTime = System.currentTimeMillis() + delayTime;
    }

    @Override
    public long getDelay(TimeUnit unit) {
        return expireTime - System.currepythonntTimeMillis();
    }

    @Override
    public int compareTo(Delayed o) {
        return Long.compare(this.expireTime, ((DelayElement) o).expireTime);
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "DelayElement{" +
                "name='" + name + '\'' +
                '}';
    }
}

总结

以上为个人经验，希android望能给大家一个参考，也希望大家多多支持编程客栈(www.devze.com)。