并发集合_BlockingQueue原理分析

假如我们现在有这样的需求，有一个仓库，我们可以存东西和取东西，仓库有存储上限。当仓库已满的时候，存东西的人就必须等待，直到有人取走东西。当仓库为空的时候，取东西的人必须等待，直到有人存入东西。

这是一个典型的生产者消费者问题。这里有两个条件，仓库已满的条件和仓库为空的条件，用条件让线程等待，这个让我们想到了并发框架下的Condition。

自己实现这个功能也不难，但是java中给我们提供了很好的实现，就是并发集合中的阻塞队列BlockingQueue。

// 阻塞队列的接口
public interface BlockingQueue<E> extends Queue<E> {}

阻塞队列BlockingQueue继承自Queue队列接口。

Queue接口

队列是一种FIFO(先入先出)的数据结构，也就是说每次插入元素都是插入在队列尾，每次取出元素都是在队列头取出。

所以队列应该有三个重要方法：

• boolean offer(E e); 向队列尾添加元素。
• E poll(); 移除队列头元素，并返回它。
• E peek(); 查看队列头元素。

下面我们来看一下Queue接口的代码：

public interface Queue<E> extends Collection<E> {

    // 向队列末尾新添加元素,返回true表示添加成功
    // 不会返回false，因为添加失败直接抛出IllegalStateException异常。
    // 一般调用offer方法实现。
    boolean add(E e);

    // 向队列末尾新添加元素，返回true表示添加成功，返回false，添加失败
    boolean offer(E e);

    // 这个与Collection中的remove方法不一样，因为Collection中的remove方法都要提供一个元素或者集合，用于删除。
    // 这里不穿任何参数，就是代表删除队列第一个元素(即队列头)，并返回它
    // 还需要注意的时，如果队列是空的，即队列头是null，这个方法会抛出NoSuchElementException异常。
    E remove();

    // 这个方法也是删除队列第一个元素(即队列头)，并返回它
    // 但是它和remove()方法不同的时，如果队列是空的，即队列头是null，它不会抛出异常，而是会返回null。
    E poll();

    // 查看队列头的元素，如果队列是空的，就抛出异常
    E element();

    // 查看队列头的元素。如果队列是空的，不会抛出异常，而是返回null
    E peek();
}

可以看出继承自Collection接口，但是Queue接口还提供了是三个好像重复的方法。

• 向队列尾添加元素的方法：add(E e)与offer(E e)。区别就是队列是满的，添加失败时，add方法会抛出异常，而offer方法只会返回false。
• 移除队列头元素的方法：remove()与poll()。区别就是队列为空的时候,remove方法会抛出异常，poll方法只会返回null。
• 查看队列头元素的方法：element()与peek()。区别就是队列为空的时候，element方法会抛出异常，peek方法只会返回null。

BlockingQueue接口

阻塞队列BlockingQueue与普通队列Queue相比较，不同有两点：

• 当队列已满的时候，当前线程会阻塞等待，直到队列有空余位置，当前线程会被唤醒，将元素插入队列尾。
• 当队列为空的时候，当前线程会阻塞等待，直到队列中有元素，当前线程会被唤醒，从队列头取出元素。

在BlockingQueue中有这样两个方法：

// 向队列末尾新添加元素，如果队列已满，当前线程就等待。响应中断异常
void put(E e) throws InterruptedException;

/**
 * 返回并移除队列第一个元素，如果队列是空的，就前线程就等待。响应中断异常
 */
E take() throws InterruptedException;

但是有这样一个问题，当队列已满的时候，当前线程会阻塞等待，它只能祈祷有别的线程取出队列中的元素，如果一直没有线程取走元素，那么当前线程就会一直阻塞等待，整个过程对当前线程是不可控的。
如果我们希望对等待时间有一定的控制，不能出现一直等待的现象，那么就要增加超时时间，所以要添加有超时时间的对应方法。

 /**
 * 向队列末尾新添加元素，如果队列中没有可用空间，当前线程就等待，
 * 如果等待时间超过timeout了，那么返回false，表示添加失败
 */
boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
    throws InterruptedException;

/**
 * 返回并移除队列第一个元素，如果队列是空的，就前线程就等待。
 * 如果等待时间超过timeout了，那么返回false，表示获取元素失败
 */
E poll(long timeout, TimeUnit unit)
    throws InterruptedException;

所以与Queue接口进行对比，BlockingQueue阻塞队列的插入、移除和查看的方法不同：

向队列尾添加元素的方法：

• add(E e)与offer(E e)方法，和Queue接口作用一样，只不过加了多线程同步安全的操作。
• put(E e)方法，添加元素时，当前线程可能会阻塞等待。
• offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)方法，与put(E e)方法作用相同，只不过加了超时时间。(其实这个方法名用put更好，用offer容易让人和offer(E e)方法产生混淆)

移除队列头元素的方法：

• remove()与poll()方法，和Queue接口作用一样，只不过加了多线程同步安全的操作。(注：这个没有在BlockingQueue接口中重新声明)
• take()方法，移除元素时，当前线程可能会阻塞等待。
• poll(long timeout, TimeUnit unit) 方法，与take()方法作用相同，只不过加了超时时间。(其实这个方法名用take更好，用poll容易让人和poll()方法产生混淆)

查看队列头元素的方法：BlockingQueue接口没有添加新的关于查看队列头的新方法，因为查看元素不会改变队列，所以不需要增加阻塞的方法。还是element()与peek()这两个方法。

package java.util.concurrent;

import java.util.Collection;
import java.util.Queue;

// 阻塞队列的接口
public interface BlockingQueue<E> extends Queue<E> {
    /**
     * 向队列尾添加元素。如果队列已满，添加失败，抛出IllegalStateException异常
     */
    boolean add(E e);

    // 向队列末尾新添加元素。返回true表示添加成功，false表示添加失败，不会抛出异常
    boolean offer(E e);

    // 向队列末尾新添加元素，如果队列已满，当前线程就等待。响应中断异常
    void put(E e) throws InterruptedException;

    /**
     * 向队列末尾新添加元素，如果队列中没有可用空间，当前线程就等待，
     * 如果等待时间超过timeout了，那么返回false，表示添加失败
     */
    boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException;

    /**
     * 返回并移除队列第一个元素，如果队列是空的，就前线程就等待。响应中断异常
     */
    E take() throws InterruptedException;

    /**
     * 返回并移除队列第一个元素，如果队列是空的，就前线程就等待。
     * 如果等待时间超过timeout了，那么返回false，表示获取元素失败
     */
    E poll(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException;

    // 返回队列剩余空间的个数。(即还能添加多少个元素)
    int remainingCapacity();


    // 移除队列中包含的所有o对象。返回true表示队列有变化，即删除了元素，返回false表示没有删除任何元素。
    boolean remove(Object o);


    // 队列中是否包含对象o
    public boolean contains(Object o);


    /**
     * 移除阻塞队列中所有有效元素，把它们添加到另一个集合c中。返回值转移的元素个数。
     * @param c
     * @return 实际转移的元素个数。
     */
    int drainTo(Collection<? super E> c);

    /**
     * 最多移除阻塞队列中maxElements个数的有效元素，把它们添加到另一个集合c中。
     * 返回值实际转移的元素个数。
     * @param c
     * @param maxElements 最多添加的元素个数
     * @return 实际转移的元素个数。
     */
    int drainTo(Collection<? super E> c, int maxElements);
}