在前面几篇文章中，我们讨论了同步容器（Hashtable、Vector），也讨论了并发容器（ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList），这些工具都为我们编写多线程程序提供了很大的方便。今天我们来讨论另外一类容器：阻塞队列。
在前面我们接触的队列都是非阻塞队列，比如PriorityQueue、LinkedList(LinkedList是双向链表，它实现了Dequeue接口)。
使用了非阻塞队列的时候有一个很大的问题就是：它不会对当前线程产生阻塞，那么在面对类似消费者-生产者的模型时，就必须额外地实现同步策略以及线程间唤醒策略，这个实现起来就非常麻烦。但是有了阻塞队列就不一样了，它会对当前线程产生阻塞，比如一个线程从一个空的阻塞队列中取元素，此时线程会被阻塞直到阻塞队列中有了元素。当队列中有元素后，被阻塞的线程会自动被唤醒（不需要我们编写代码去唤醒）。这样提供了极大的方便性。
一、几种主要的阻塞队列
自从Java 1.5之后，在java.util.concurrent包下提供了若干个阻塞队列，主要有以下几个：
ArrayBlockingQueue:基于数组实现的一个有界阻塞队列，在创建ArrayBlockingQueue对象时必须指定容量大小。并且可以指定公平性与非公平性，默认情况下为非公平的。所谓公平的访问队列是指阻塞的线程，可以按照阻塞的先后顺序访问队列，先阻塞的线程先访问ArrayBlockingQueue队列；非公平性是对先等待的线程是非公平的，当队列可用时，阻塞的线程都可以争夺访问队列的资格，有可能先阻塞的线程最后才能够访问队里。然后为了保证公平性，通常会降低吞吐量。
LinkedBlockingQueue:基于链表实现的一个有界阻塞队列，在创建LinkedBlockingQueue对象时如果不指定容量大小，则默认大小为Integer.MAX_VALUE。
PriorityBlockingQueue:以上2种队列都是先进先出队列，而PriorityBlockingQueue却不是，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。注意，此阻塞队列为无界阻塞队列，即容量没有上限（通过源码可知，其没有容器满的信号标志）。
DelayQueue:基于PriorityQueue，一种延时阻塞队列，DelayQueue中的元素只有当其指定的延时时间到了，才能够从队列中获取到该元素。DelayQueue也是一个无界队列，因此队列中插入数据的线程（生产者）永远不会被阻塞，而只有获取数据的线程（消费者）才会被阻塞。
二、阻塞队列中的方法 VS 非阻塞队列中的方法
1、非阻塞队列中的几个主要方法：
add(E e):将元素e插入到队列末尾，如果插入成功，则返回true；如果插入失败（即队列已满），则会抛出异常；
remove():移除队首元素，若移除成功，则返回true；如果移除失败（队列为空），则会抛出异常；
offer(E e):将元素e插入到队列末尾，如果插入成功，则返回true；如果插入失败（即队列已满），则返回false；
poll():移除并获取队首元素，若成功，则返回队首元素；否则返回null；
peek():获取队首元素，若成功，则返回队首元素；否则返回null
对于非阻塞队列，一般情况下建议使用offer、poll和peek三个方法，不建议使用add和remove方法。因为使用offer、poll和peek三个方法可以通过返回值判断操作成功与否，而使用add和remove方法却不能达到这样的效果。注意，非阻塞队列中的方法都没有进行同步措施。
2、阻塞队列中的几个主要方法：
阻塞队列包括了非阻塞队列中的大部分方法，上面列举的5个方法在阻塞队列中都存在，但是要注意这5个方法在阻塞队列中都进行了同步措施。除此之外，阻塞队列提供了另外4个非常有用的方法：
put(E e):向队尾存入元素，如果队列满，则等待；
take():从队首取元素，如果队列为空，则等待；
offer(E e,long timeout,TimUnit unit):向队尾存入元素，如果队列满，则等待一定的时间，当时间期限达到时，如果还没有插入成功，则返回false；否则返回true；
poll(long timeout,TimeUnit unit):从队首取元素，如果队列为空，则等待一定的时间，当时间期限达到时，如果未取到，则返回null；否则返回取得的元素；
三、阻塞队列的实现原理
前面谈到了非阻塞队列和阻塞队列中常用的方法，下面来探讨阻塞队列的实现原理，本文以ArrayBlockingQueue为例，其它阻塞队列实现原理可能和ArrayBlockingQueue有一些差别，但是大体思路应该类似。
首先，看一下ArrayBlockingQueue类中的几个成员变量：
public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable { /**
* Serialization ID. This class relies on default serialization
* even for the items array, which is default-serialized, even if
* it is empty. Otherwise it could not be declared final, which is
* necessary here.
*/
private static final long serialVersionUID = -817911632652898426L; /** The queued items */
final Object[] items; /** items index for next take, poll, peek or remove */
int takeIndex; /** items index for next put, offer, or add */
int putIndex; /** Number of elements in the queue */
int count; /*
* Concurrency control uses the classic two-condition algorithm
* found in any textbook.
*/ /** Main lock guarding all access */
final ReentrantLock lock;
/** Condition for waiting takes */
private final Condition notEmpty;
/** Condition for waiting puts */
private final Condition notFull;
可以看出，ArrayBlockingQueue中用来存储元素的实际上是一个数组，takeIndex和putIndex分别表示队首元素和队尾元素的下标，count表示队列中元素的个数。
lock是一个可重入锁，notEmpty和notFull是等待条件。
下面看一下ArrayBlockingQueue的构造器，构造器有三个重载版本：
public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
}
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) { }
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair,
Collection<? extends E> c) {
}
第一个构造器只有一个参数用来指定容量，第二个构造器可以指定容量和公平性，第三个构造器可以指定容量、公平性以及用另外一个集合的数据对队列进行初始化。
然后看它的两个关键方法的实现：put()和take():
下面是put()方法实现：
public void put(E e) throws InterruptedException {
if(e == null) throws new NullPointerException(); final ReentrantLock lock = this.lock();
// 允许在等待时由其它线程调用等待线程的Thread.interrupt方法来中断等待线程的等待，当等待线程被打断时，
// 会被要求处理InterruptedException，或将InterruptedException抛出
lock.lockInterruptibly();
try {
try {
while(count == items.length)
notFull.await();
}catch(InterruptedException ie) {
notFull.signal(); // propagate to non-interrupted thread
throw ie;
} insert(e);
} finally {
lock.unlock();
}
}
从put方法的实现可以看出，它先获取了锁，并且获取的锁是可中断锁，然后判断当前元素个数是否等于数组的长度，如果相等，则调用notFull.await()进行等待，如果捕获到中断异常，则唤醒线程并抛出异常。
当队列未满或被其它线程唤醒时，通过insert(e)方法插入元素，最后解锁。
我们看一下insert方法的实现：
private insert(E x) {
items[putIndex] = x;
putIndex = inc(putIndex);
++count;
notEmpty.signal();
}
它是一个private方法，插入成功后，通过notEmpty唤醒正在等待取元素的线程。
下面是take()方法的实现：
public E take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lockInterruptibly();
try {
try {
while(count == 0)
notEmpty.await();
}catch(InterruptedException) {
notEmpty.signal(); // propagate to non-interrupted thread
throw ie;
} E x = extract();
return x;
}finally {
lock.unlock(); }
}
跟put方法实现很类似，只不过put方法等待的是notFull信号，而take方法等待的是notEmpty信号。在take方法中，如果可以取元素，则通过extract方法取得元素，下面是extract方法的实现：
private E extract() {
final E[] items = this.items;
E x = items[takeIndex];
items[takeIndex] = null;
takeIndex = inc(takeIndex);
--count;
notFull.signal();
return x;
}
跟insert方法也很类似。
其实从这里大家应该明白了阻塞队列的实现原理，事实它和我们用Object.wait()、Object.notify()和非阻塞队列实现生产者-消费者的思路类似，只不过它把这些工作一起集成到了阻塞队列中实现。
四、示例和使用场景
下面先使用Object.wait()和Objct.notify()、非阻塞队列实现生产者-消费者模式：
package com.meng.javalanguage.producerConsumer; import java.util.PriorityQueue; public class Test {
private int queueSize = 10;
private PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<Integer>(queueSize); public static void main(String[] args) {
Test test = new Test();
Producer producer = test.new Producer();
Consumer consumer = test.new Consumer(); producer.start();
consumer.start();
} class Consumer extends Thread { @Override
public void run() {
consume();
} private void consume() {
while(true) {
synchronized (queue) {
while(queue.size() == 0) {
try {
System.out.println("队列空，等待数据");
queue.wait();
}catch (InterruptedException ie) {
ie.printStackTrace();
queue.notify(); }
} queue.poll(); // 每次移走队首元素
queue.notify();
System.out.println("从队列取走一个元素，队列剩余" + queue.size() + "个元素");
}
}
}
} class Producer extends Thread { @Override
public void run() {
produce();
} private void produce() {
while(true) {
synchronized (queue) {
while(queue.size() == queueSize) {
try {
System.out.println("队列满，等待有空余空间");
queue.wait();
}catch (InterruptedException ie) {
ie.printStackTrace();
queue.notify();
}
} queue.offer(1); // 每次插入一个元素
queue.notify();
System.out.println("向队列中插入一个元素，队列剩余空间：" + (queueSize - queue.size()));
}
}
} }
}
这个是经典的生产者-消费者模式，通过阻塞队列和Object.wait()和Object.notify()实现，wait()和notify()主要用来实现线程间通信。
具体的线程间通信方式（wait和notify的使用）在后续文章中会讲述到。
下面是阻塞队列实现的生产者-消费者模式：
package com.meng.javalanguage.producerConsumer; import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue; public class Test1 { private int queueSize = 10;
private ArrayBlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<Integer>(queueSize); public static void main(String[] args) {
Test1 test1 = new Test1();
Producer producer = test1.new Producer();
Consumer consumer = test1.new Consumer(); producer.start();
consumer.start();
} class Consumer extends Thread { @Override
public void run() {
cunsume();
} private void cunsume() {
while(true) {
try {
queue.take(); // 该方法会抛出异常，需在try...catch块中执行
System.out.println("从队列中取走一个元素，队列剩余" + queue.size() + "个元素");
}catch (InterruptedException ie) {
ie.printStackTrace();
}
}
}
} class Producer extends Thread { @Override
public void run() {
produce();
} private void produce() {
while(true) {
try {
queue.put(1); // 该方法会抛出异常，需要try...catch块中执行
System.out.println("向队列中插入一个元素，队列剩余空间" + (queueSize - queue.size()));
}catch (InterruptedException ie) {
ie.printStackTrace();
}
}
}
}
}
有没有发现，使用阻塞队列代码要简单得多，不需要再单独考虑同步和线程间通信的问题。
在并发编程中，一般推荐使用阻塞队里，这样实现可以尽量地避免程序出现意外的错误。
阻塞队列使用最经典的场景就是socket客户端数据的读取和解析，读取数据的线程不断将数据放入队列，然后解析线程不断从队列取数据解析。还有其它类似的场景，只要符合生产者-消费者模型的都可以使用阻塞队列。
转载自《Java并发编程：阻塞队列》
