執行緒安全的佇列訪問

主要應用場景：生產者消費者模型，是執行緒安全的

阻塞情況：

• 當佇列滿了進行入隊操作
• 當佇列空了的時候進行出佇列操作

4種處理方式

• （Throws Exceptions） 丟擲異常：當佇列滿時，如果再往佇列裡插入元素，會丟擲IllegalStateException（“Queue full”）異常。當佇列空時，從佇列裡獲取元素會丟擲NoSuchElementException異常。
• （Special Value）返回特殊值：當往佇列插入元素時，會返回元素是否插入成功，成功返回true。如果是移除方法，則是從佇列裡取出一個元素，如果沒有則返回null。
• （Blocks）一直阻塞：當阻塞佇列滿時，如果生產者執行緒往佇列裡put元素，佇列會一直阻塞生產者執行緒，直到佇列可用或者響應中斷退出。當佇列空時，如果消費者執行緒從佇列裡take元素，佇列會阻塞住消費者執行緒，直到佇列不為空。
• （Times Out）超時退出：當阻塞佇列滿時，如果生產者執行緒往佇列裡插入元素，佇列會阻塞生產者執行緒一段時間，如果超過了指定的時間，生產者執行緒就會退出。

注意：　如果是無界阻塞佇列，佇列不可能會出現滿的情況，所以使用put或offer方法永遠不會被阻塞，而且使用offer方法時，該方法永遠返回true。

實現類：

Java併發包中的7個阻塞佇列:

佇列	有界性	鎖	特點
ArrayBlockingQueue	bounded(有界)	加鎖	陣列 FIFO
LinkedBlockingQueue	指定-有界、不指定-無界	加鎖	連結串列 FIFO
PriorityBlockingQueue	無界	加鎖	優先順序排序（預設升序）
DelayQueue	無界	加鎖	延時獲取 使用PriorityQueue實現
SynchronousQueue	bounded	加鎖	不儲存元素
LinkedTransferQueue	無界	加鎖	連結串列 （傳輸）
LinkedBlockingDeque	無界	無鎖	連結串列 雙向

ArrayBlockingQueue

初始化時指定容量大小，一旦指定大小就不能再變。採用FIFO方式儲存元素。

• 預設情況下不保證執行緒公平的訪問佇列。
• 公平訪問佇列是指阻塞的執行緒，可以按照阻塞的先後順序訪問佇列，即先阻塞執行緒先訪問佇列。
• 非公平性是對先等待的執行緒是非公平的，當佇列可用時，阻塞的執行緒都可以爭奪訪問佇列的資格，有可能先阻塞的執行緒最後才訪問 佇列。
• 為了保證公平性，通常會降低吞吐量。

使用以下程式碼建立一個公平的阻塞佇列。

ArrayBlockingQueue fairQueue = new ArrayBlockingQueue(1000,true);

訪問者的公平性是使用可重入鎖實現的，程式碼如下。

public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) { 
　　if (capacity <= 0)  
　　　　throw new IllegalArgumentException(); 
　　this.items = new Object[capacity]; 
　　lock = new ReentrantLock(fair);//初始化ReentrantLock重入鎖，出隊入隊擁有這同一個鎖 
　　notEmpty = lock.newCondition;//初始化非空等待佇列
　　notFull = lock.newCondition;//初始化非滿等待佇列 
} 

LinkedBlockingQueue

大小配置可選，如果初始化時指定了大小，那麼它就是有邊界的。不指定就無邊界（最大整型值）。內部實現是連結串列，採用FIFO形式儲存資料。

public LinkedBlockingQueue() {
    this(Integer.MAX_VALUE);//不指定大小，無邊界採用預設值，最大整型值
}

PriorityBlockingQueue

帶優先順序的阻塞佇列（預設升序）。無邊界佇列，允許插入null 。插入的物件必須實現Comparator介面， 對Comparable介面的實現來指定佇列優先順序的排序規則。我們可以從PriorityBlockingQueue中獲取一個迭代器，但這個迭代器並不保證能按照優先順序的順序進行迭代。

public boolean add(E e) {//新增方法
    return offer(e);
}
public boolean offer(E e) {
    if (e == null)
        throw new NullPointerException();
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    int n, cap;
    Object[] array;
    while ((n = size) >= (cap = (array = queue).length))
        tryGrow(array, cap);
    try {
        Comparator<? super E> cmp = comparator;//必須實現Comparator介面
        if (cmp == null)
            siftUpComparable(n, e, array);
        else
            siftUpUsingComparator(n, e, array, cmp);
        size = n + 1;
        notEmpty.signal();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
    return true;
}

SynchronusQueue

不儲存元素,非常適合傳遞性場景,吞吐量較高。每一個put操作必須等待一個take操作，否則不能繼續新增元素。

它支援公平訪問佇列。預設情況下執行緒採用非公平性策略訪問佇列。

//建立公平性訪問 fair=true，則等待的執行緒會採用先進先出的順序訪問佇列。
public SynchronousQueue(boolean fair) {
	transferer = fair?new TransferQueue() : new TransferStack();
}

LinkedTransferQueue

相對於其他阻塞佇列，LinkedTransferQueue多了tryTransfer和transfer方法。

（1）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佇列的tail節點，並等到該元素被消費者消費了才返回。

//試圖把存放當前元素的s節點作為tail節點
Node pred = tryAppend(s, haveData);
//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執行緒，並執行其他執行緒。
return awaitMatch(s, pred, e, (how == TIMED), nanos);

（2）tryTransfer方法

• tryTransfer方法是用來試探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。
• 對於帶有時間限制的tryTransfer（E e，long timeout，TimeUnit unit）方法，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，如果在時限內消費了元素，則返回true。

（3）區別
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。

LinkedBlockingDeque

LinkedBlockingDeque是一個由連結串列結構組成的雙向阻塞佇列（可以從佇列的兩端插入和移出元素，減少了一半的競爭）。
相比其他的阻塞佇列，LinkedBlockingDeque多了
addFirst、offerFirst、peekFirst
addLast、offerLast、peekLast 等方法
以First單詞結尾的方法，表示插入、獲取（peek）或移除雙端佇列的第一個元素。
以Last單詞結尾的方法，表示插入、獲取（peek）或移除雙端佇列的最後一個元素。

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。
使用時還是用帶有First和Last字尾的方法更清楚。

在初始化LinkedBlockingDeque時可以設定容量防止其過度膨脹。另外，雙向阻塞佇列可以運用在“工作竊取”模式中。

阻塞佇列的實現原理

使用通知模式實現：當生產者往滿的佇列裡新增元素時會阻塞住生產者，當消費者消費了一個佇列中的元素後，會通知生產者當前佇列可用。（JDK原始碼ArrayBlockingQueue使用了Condition來實現）

當往佇列裡插入一個元素時，如果佇列不可用，那麼阻塞生產者主要通過LockSupport.park（this）來實現。

參考：
慕課網實戰·高併發探索（十三）：併發容器J.U.C – 元件FutureTask、ForkJoin、BlockingQueue
阻塞佇列 BlockingQueue
BlockingQueue深入解析
《java併發程式設計的藝術》