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本節，我們來探討Java併發包中的各種佇列。Java併發包提供了豐富的佇列類，可以簡單分為：
- 無鎖非阻塞併發佇列：ConcurrentLinkedQueue和ConcurrentLinkedDeque
- 普通阻塞佇列：基於陣列的ArrayBlockingQueue，基於連結串列的LinkedBlockingQueue和LinkedBlockingDeque
- 優先順序阻塞佇列：PriorityBlockingQueue
- 延時阻塞佇列：DelayQueue
- 其他阻塞佇列：SynchronousQueue和LinkedTransferQueue
無鎖非阻塞是這些佇列不使用鎖，所有操作總是可以立即執行，主要通過迴圈CAS實現併發安全，阻塞佇列是指這些佇列使用鎖和條件，很多操作都需要先獲取鎖或滿足特定條件，獲取不到鎖或等待條件時，會等待(即阻塞)，獲取到鎖或條件滿足再返回。
這些佇列迭代都不會丟擲ConcurrentModificationException，都是弱一致的，後面就不單獨強調了。下面，我們來簡要探討每類佇列的用途、用法和基本實現原理。
無鎖非阻塞併發佇列
有兩個無鎖非阻塞佇列：ConcurrentLinkedQueue和ConcurrentLinkedDeque，它們適用於多個執行緒併發使用一個佇列的場合，都是基於連結串列實現的，都沒有限制大小，是無界的，與ConcurrentSkipListMap類似，它們的size方法不是一個常量運算，不過這個方法在併發應用中用處也不大。
ConcurrentLinkedQueue實現了Queue介面，表示一個先進先出的佇列，從尾部入隊，從頭部出隊，內部是一個單向連結串列。ConcurrentLinkedDeque實現了Deque介面，表示一個雙端佇列，在兩端都可以入隊和出隊，內部是一個雙向連結串列。它們的用法類似於LinkedList，我們就不贅述了。
這兩個類最基礎的原理是迴圈CAS，ConcurrentLinkedQueue的演算法基於一篇論文："Simple, Fast, and Practical Non-Blocking and Blocking Concurrent Queue Algorithms"，ConcurrentLinkedDeque擴充套件了ConcurrentLinkedQueue的技術，但它們的具體實現都非常複雜，我們就不探討了。
普通阻塞佇列
除了剛介紹的兩個佇列，其他佇列都是阻塞佇列，都實現了介面BlockingQueue，在入隊/出隊時可能等待，主要方法有：
//入隊，如果佇列滿，等待直到佇列有空間
void put(E e) throws InterruptedException;
//出隊，如果佇列空，等待直到佇列不為空，返回頭部元素
E take() throws InterruptedException;
//入隊，如果佇列滿，最多等待指定的時間，如果超時還是滿，返回false
boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
//出隊，如果佇列空，最多等待指定的時間，如果超時還是空，返回null
E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
複製程式碼普通阻塞佇列是常用的佇列，常用於生產者/消費者模式。
ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue都是實現了Queue介面，表示先進先出的佇列，尾部進，頭部出，而LinkedBlockingDeque實現了Deque介面，是一個雙端佇列。
ArrayBlockingQueue是基於迴圈陣列實現的，有界，建立時需要指定大小，且在執行過程中不會改變，這與我們在容器類中介紹的ArrayDeque是不同的，ArrayDeque也是基於迴圈陣列實現的，但是是無界的，會自動擴充套件。
LinkedBlockingQueue是基於單向連結串列實現的，在建立時可以指定最大長度，也可以不指定，預設是無限的，節點都是動態建立的。LinkedBlockingDeque與LinkedBlockingQueue一樣，最大長度也是在建立時可選的，預設無限，不過，它是基於雙向連結串列實現的。
內部，它們都是使用顯式鎖ReentrantLock和顯式條件Condition實現的。
ArrayBlockingQueue的實現很直接，有一個陣列儲存元素，有兩個索引表示頭和尾，有一個變數表示當前元素個數，有一個鎖保護所有訪問，有兩個條件，"不滿"和"不空"用於協作，成員宣告如下：
final Object[] items;
int takeIndex; // 頭
int putIndex; //尾
int count; //元素個數
final ReentrantLock lock;
private final Condition notEmpty;
private final Condition notFull;
複製程式碼實現思路與我們在72節實現的類似，就不贅述了。
與ArrayBlockingQueue類似，LinkedBlockingDeque也是使用一個鎖和兩個條件，使用鎖保護所有操作，使用"不滿"和"不空"兩個條件，LinkedBlockingQueue稍微不同，因為它使用連結串列，且只從頭部出隊、從尾部入隊，它做了一些優化，使用了兩個鎖，一個保護頭部，一個保護尾部，每個鎖關聯一個條件。
優先順序阻塞佇列
普通阻塞佇列是先進先出的，而優先順序佇列是按優先順序出隊的，優先順序高的先出，我們在容器類中介紹過優先順序佇列PriorityQueue及其背後的資料結構堆。
PriorityBlockingQueue是PriorityQueue的併發版本，與PriorityQueue一樣，它沒有大小限制，是無界的，內部的陣列大小會動態擴充套件，要求元素要麼實現Comparable介面，要麼建立PriorityBlockingQueue時提供一個Comparator物件。
與PriorityQueue的區別是，PriorityBlockingQueue實現了BlockingQueue介面，在佇列為空時，take方法會阻塞等待。
另外，PriorityBlockingQueue是執行緒安全的，它的基本實現原理與PriorityQueue是一樣的，也是基於堆，但它使用了一個鎖ReentrantLock保護所有訪問，使用了一個條件協調阻塞等待。
延時阻塞佇列
延時阻塞佇列DelayQueue是一種特殊的優先順序佇列，它也是無界的，它要求每個元素都實現Delayed介面，該介面的宣告為：
public interface Delayed extends Comparable<Delayed> {
long getDelay(TimeUnit unit);
}
複製程式碼Delayed擴充套件了Comparable介面，也就是說，DelayQueue的每個元素都是可比較的，它有一個額外方法getDelay返回一個給定時間單位unit的整數，表示再延遲多長時間，如果小於等於0，表示不再延遲。
DelayQueue也是優先順序佇列，它按元素的延時時間出隊，它的特殊之處在於，只有當元素的延時過期之後才能被從佇列中拿走，也就是說，take方法總是返回第一個過期的元素，如果沒有，則阻塞等待。
DelayQueue可以用於實現定時任務，我們看段簡單的示例程式碼：
public class DelayedQueueDemo {
private static final AtomicLong taskSequencer = new AtomicLong(0);
static class DelayedTask implements Delayed {
private long runTime;
private long sequence;
private Runnable task;
public DelayedTask(int delayedSeconds, Runnable task) {
this.runTime = System.currentTimeMillis() + delayedSeconds * 1000;
this.sequence = taskSequencer.getAndIncrement();
this.task = task;
}
@Override
public int compareTo(Delayed o) {
if (o == this) {
return 0;
}
if (o instanceof DelayedTask) {
DelayedTask other = (DelayedTask) o;
if (runTime < other.runTime) {
return -1;
} else if (runTime > other.runTime) {
return 1;
} else if (sequence < other.sequence) {
return -1;
} else {
return 1;
}
}
throw new IllegalArgumentException();
}
@Override
public long getDelay(TimeUnit unit) {
return unit.convert(runTime - System.currentTimeMillis(),
TimeUnit.MICROSECONDS);
}
public Runnable getTask() {
return task;
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
DelayQueue<DelayedTask> tasks = new DelayQueue<>();
tasks.put(new DelayedTask(2, new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("execute delayed task");
}
}));
DelayedTask task = tasks.take();
task.getTask().run();
}
}
複製程式碼DelayedTask表示延時任務，只有延時過期後任務才會執行，任務按延時時間排序，延時一樣的按照入隊順序排序。
內部，DelayQueue是基於PriorityQueue實現的，它使用一個鎖ReentrantLock保護所有訪問，使用一個條件available表示頭部是否有元素，當頭部元素的延時未到時，take操作會根據延時計算需睡眠的時間，然後睡眠，如果在此過程中有新的元素入隊，且成為頭部元素，則阻塞睡眠的執行緒會被提前喚醒然後重新檢查。以上是基本思路，DelayQueue的實現有一些優化，以減少不必要的喚醒，具體我們就不探討了。
其他阻塞佇列
Java併發包中還有兩個特殊的阻塞佇列，SynchronousQueue和LinkedTransferQueue。
SynchronousQueue
SynchronousQueue與一般的佇列不同，它不算一種真正的佇列，它沒有儲存元素的空間，儲存一個元素的空間都沒有。它的入隊操作要等待另一個執行緒的出隊操作，反之亦然。如果沒有其他執行緒在等待從佇列中接收元素，put操作就會等待。take操作需要等待其他執行緒往佇列中放元素，如果沒有，也會等待。SynchronousQueue適用於兩個執行緒之間直接傳遞資訊、事件或任務。
LinkedTransferQueue
LinkedTransferQueue實現了TransferQueue介面，TransferQueue是BlockingQueue的子介面，但增加了一些額外功能，生產者在往佇列中放元素時，可以等待消費者接收後再返回，適用於一些訊息傳遞型別的應用中。TransferQueue的介面定義為：
public interface TransferQueue<E> extends BlockingQueue<E> {
//如果有消費者在等待(執行take或限時的poll)，直接轉給消費者，
//返回true，否則返回false，不入隊
boolean tryTransfer(E e);
//如果有消費者在等待，直接轉給消費者，
//否則入隊，阻塞等待直到被消費者接收後再返回
void transfer(E e) throws InterruptedException;
//如果有消費者在等待，直接轉給消費者，返回true
//否則入隊，阻塞等待限定的時間，如果最後被消費者接收，返回true
boolean tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException;
//是否有消費者在等待
boolean hasWaitingConsumer();
//等待的消費者個數
int getWaitingConsumerCount();
}
複製程式碼LinkedTransferQueue是基於連結串列實現的、無界的TransferQueue，具體實現比較複雜，我們就不探討了。
小結
本節簡要介紹了Java併發包中的各種佇列，包括其基本概念和基本原理。
從73節到本節，我們介紹了Java併發包的各種容器，至此，就介紹完了，在實際開發中，應該儘量使用這些現成的容器，而非重新發明輪子。
Java併發包中還提供了一種方便的任務執行服務，使用它，可以將要執行的併發任務與執行緒的管理相分離，大大簡化併發任務和執行緒的管理，讓我們下一節來探討。
(與其他章節一樣，本節所有程式碼位於 github.com/swiftma/pro…)
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