阻塞队列ArrayBlockingQueue与LinkedBlockingQueue

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前言

在研究线程池时，发现jdk自定义的创建线程池底层调用的ThreadPoolExecutor构造方法中需要填写了无界的LinkedBlockingQueue参数。故此研究了一下该类和它的父接口BlockingDeque。

    public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,0L, TimeUnit.MILLISECONDS,new LinkedBlockingQueue<Runnable>());}

BlockingQueue

BlockingQueue 是 Java 中 java.util.concurrent 包提供的一种接口，用于实现线程安全的队列数据结构。BlockingQueue 通常用于多线程环境中，特别是实现生产者-消费者模式时非常有用。它是一种特殊的队列，提供了阻塞操作，使得在队列为空或满的情况下，相关的操作会自动阻塞，直到条件满足为止。本章主要介绍BlockingDeque和它的实现类ArrayBlockingQueue与LinkedBlockingQueue。

BlockingQueue 接口特点

• 线程安全：BlockingQueue 的所有操作都是线程安全的，允许多个线程并发地添加或移除元素。
• 阻塞操作：当队列满时，put 操作会阻塞，直到队列中有可用空间；当队列为空时，take 操作会阻塞，直到队列中有元素。
• 容量限制：BlockingQueue 可以是有界的（有最大容量限制）或无界的（没有最大容量限制）

应用场景

BlockingQueue 主要用于实现生产者-消费者模式，可以有效地解决多线程间的同步问题。它在以下场景中非常有用：

1. 任务调度：作为任务队列，存放待处理的任务。
2. 消息传递：作为消息队列，存放待发送的消息。
3. 缓存系统：作为缓存队列，存放待处理的数据。

ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue 是 Java 中 java.util.concurrent 包提供的一种基于数组结构的有界阻塞队列实现。它是一个线程安全的队列，非常适合用于多线程环境下的同步操作。

特点

• 有界队列：ArrayBlockingQueue 是一个有界队列，这意味着在创建时需要指定队列的最大容量。一旦队列达到最大容量，就不能再添加新的元素，除非队列中有元素被消费。
• 线程安全：ArrayBlockingQueue 实现了线程安全机制，可以在多个线程之间安全地共享和操作队列。
• 阻塞特性：ArrayBlockingQueue 提供了阻塞操作，如 put 和 take 方法。当队列满时，put 方法会阻塞等待队列中有空闲空间；当队列为空时，take 方法会阻塞等待队列中有可用元素。
• 公平性：ArrayBlockingQueue 支持公平和非公平两种插入策略。公平策略（fairness）保证了按照线程到达的顺序来获取队列的资源，而非公平策略则可能让后到达的线程先获取资源。默认情况下，ArrayBlockingQueue 使用非公平策略。

主要方法

插入元素：

void put(E e)：将元素 e 插入队列尾部，如果队列已满则等待直到有空闲空间。
boolean offer(E e)：尝试将元素 e 插入队列尾部，如果成功则返回 true，如果队列已满则返回 false。
boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)：尝试在给定时间内将元素 e 插入队列尾部，如果成功则返回 true，如果超时则返回 false。

移除元素：

E take()：从队列头部移除并返回一个元素，如果队列为空则等待直到有可用元素。
E poll()：尝试从队列头部移除并返回一个元素，如果队列为空则返回 null。
E poll(long timeout, TimeUnit unit)：尝试在给定时间内从队列头部移除并返回一个元素，如果成功则返回元素，如果超时则返回 null。
检查元素：
E peek()：返回但不移除队列头部的元素，如果队列为空则返回 null。

其他方法：

int remainingCapacity()：返回队列剩余的容量。
int size()：返回队列中当前的元素数量。
boolean isEmpty()：如果队列为空则返回 true。
boolean contains(Object o)：如果队列中包含指定元素则返回 true。
Iterator iterator()：返回队列的迭代器。

代码示例

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;public class ArrayBlockingQueueExample {// 创建一个容量为 10 的阻塞队列private static ArrayBlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<>(10);public static void main(String[] args) {// 生产者线程Thread producer = new Thread(() -> {try {queue.put("item1");queue.put("item2");queue.put("item3");} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();System.err.println("Producer was interrupted");}});// 消费者线程Thread consumer = new Thread(() -> {try {while (true) {String item = queue.take();System.out.println("Consumed: " + item);TimeUnit.SECONDS.sleep(1); // 使当前线程暂停执行1秒,模拟消费时间}} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();System.err.println("Consumer was interrupted");}});producer.start();consumer.start();}
}

LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue 是 Java 中 java.util.concurrent 包提供的一种基于链表结构的阻塞队列实现。它是一个线程安全的队列，主要用于多线程环境下的同步操作，和ArrayBlockingQueue 一样适合用于实现生产者-消费者模式。

特点

• 可选的容量：LinkedBlockingQueue 可以是无界的（默认情况下），也可以是有界的。如果你在创建时指定了一个容量，则队列将是有界的。
• 线程安全：LinkedBlockingQueue 内部使用锁来保证线程安全，允许多个线程并发地往队列中添加或从中移除元素。
• 阻塞特性：LinkedBlockingQueue 提供了阻塞操作，如 put 和 take 方法。当队列满时，put 方法会阻塞等待队列中有空闲空间；当队列为空时，take 方法会阻塞等待队列中有可用元素。
• 公平性：LinkedBlockingQueue 支持公平和非公平两种插入策略。公平策略（fairness）保证了按照线程到达的顺序来获取队列的资源，而非公平策略则可能让后到达的线程先获取资源。

主要方法

插入元素：

void put(E e)：将元素 e 插入队列尾部，如果队列已满则等待直到有空闲空间。
boolean offer(E e)：尝试将元素 e 插入队列尾部，如果成功则返回 true，如果队列已满则返回 false。
boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)：尝试在给定时间内将元素 e 插入队列尾部，如果成功则返回 true，如果超时则返回 false。

移除元素：

E take()：从队列头部移除并返回一个元素，如果队列为空则等待直到有可用元素。
E poll()：尝试从队列头部移除并返回一个元素，如果队列为空则返回 null。
E poll(long timeout, TimeUnit unit)：尝试在给定时间内从队列头部移除并返回一个元素，如果成功则返回元素，如果超时则返回 null。

检查元素：

E peek()：返回但不移除队列头部的元素，如果队列为空则返回 null。
其他方法：
int remainingCapacity()：返回队列剩余的容量。
int size()：返回队列中当前的元素数量。
boolean isEmpty()：如果队列为空则返回 true。
boolean contains(Object o)：如果队列中包含指定元素则返回 true。
Iterator iterator()：返回队列的迭代器。

代码示例

import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;public class ArrayBlockingQueueExample {// 创建一个容量为 10 的阻塞队列private static LinkedBlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingQueue <>(10);public static void main(String[] args) {// 生产者线程Thread producer = new Thread(() -> {try {queue.put("item1");queue.put("item2");queue.put("item3");} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();System.err.println("Producer was interrupted");}});// 消费者线程Thread consumer = new Thread(() -> {try {while (true) {String item = queue.take();System.out.println("Consumed: " + item);TimeUnit.SECONDS.sleep(1); // 使当前线程暂停执行1秒,模拟消费时间}} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();System.err.println("Consumer was interrupted");}});producer.start();consumer.start();}
}

ArrayBlockingQueue 与LinkedBlockingQueue 区别

ArrayBlockingQueue 与LinkedBlockingQueue 区别：

1. ArrayBlockingQueue 底层基于数组实现；
2. LinkedBlockingQueue 底层基于链表实现；
3. ArrayBlockingQueue 默认是有界队列；
4. ArrayBlockingQueue 默认是无界队列 容量为 Integer.MAX_VALUE；
5. ArrayBlockingQueue 读写采用同一把锁， LinkedBlockingQueue
   锁是读写分离；
6. LinkedBlockingQueue clear方法 同时清理两把锁
7. LinkedBlockingQueue使用AtomicInteger计入个数，ArrayBlockingQueue int Count计数
8. 在自定义创建线程池ThreadPoolExecutor时，任务队列时建议设置为有界队列。
   JDK默认的线程池使用无界的LinkedBlockingQueue作为任务队列，这意味着在高负载情况下，任务队列可能无限增长，直至消耗完系统内存，导致OutOfMemoryError。

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