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1. 什么是阻塞行列？
阻塞行列（BlockingQueue）是一个支持两个附加操纵的行列。这两个附加的操纵是：在行列为空时， 获取元素的线程会期待行列变为非空。当行列满时，存储元素的线程会期待行列可用。阻塞行列常用于生 产者和消费者的场景，出产者是往行列里添加元素的线程，消费者是从行列里拿元素的线程。阻塞行列就 是出产者存放元素的容器，而消费者也只从容器里拿元素。
阻塞行列提供了四种处理惩罚要领:
要领\处理惩罚方法 抛出异常 返回非凡值 一直阻塞 超时退出插入方 法 add(e) offer (e) put(e) offer(e,time,unit) 移除方 法 remove() poll() take() poll(time,unit) 查抄要领 element() peek() 不行用 不行用
抛出异常：是指当阻塞行列满时候，再往行列里插入元素，会抛出IllegalStateException ("Queue full")异常。当行列为空时，从行列里获取元素时会抛出NoSuchElementException异 常 。
返回非凡值：插入要了解返回是否乐成，乐成则返回true。移除要领，则是从行列里拿出一个元素， 假如没有则返回null
一直阻塞：当阻塞行列满时，假如出产者线程往行列里put元素，行列会一直阻塞出产者线程，直到拿 到数据，可能响应间断退出。当行列空时，消费者线程试图从行列里take元素，行列也会阻塞消费者线程 ，直到行列可用。
超时退出：当阻塞行列满时，行列会阻塞出产者线程一段时间，假如高出必然的时间，出产者线程就 会退出。
2. Java里的阻塞行列
JDK7提供了7个阻塞行列。别离是
ArrayBlockingQueue ：一个由数组布局构成的有界阻塞行列。
LinkedBlockingQueue ：一个由链表布局构成的有界阻塞行列。
PriorityBlockingQueue ：一个支持优先级排序的无界阻塞行列。
DelayQueue：一个利用优先级行列实现的无界阻塞行列。
SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞行列。
LinkedTransferQueue：一个由链表布局构成的无界阻塞行列。
LinkedBlockingDeque：一个由链表布局构成的双向阻塞行列。
ArrayBlockingQueue是一个用数组实现的有界阻塞行列。此行列凭据先进先出（FIFO）的原则对元素 举办排序。默认环境下不担保会见者公正的会见行列，所谓公正会见行列是指阻塞的所有出产者线程或消 费者线程，当行列可用时，可以凭据阻塞的先后顺序会见行列，即先阻塞的出产者线程，可以先往行列里 插入元素，先阻塞的消费者线程，可以先从行列里获取元素。凡是环境下为了担保公正性会低落吞吐量。 我们可以利用以下代码建设一个公正的阻塞行列：
ArrayBlockingQueue fairQueue = new ArrayBlockingQueue(1000,true);
会见者的公正性是利用可重入锁实现的，代码如下：
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
if (capacity <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
this.items = new Object[capacity];
lock = new ReentrantLock(fair);
notEmpty = lock.newCondition();
notFull = lock.newCondition();
}
LinkedBlockingQueue是一个用链表实现的有界阻塞行列。此行列的默认和最大长度为 Integer.MAX_VALUE。此行列凭据先进先出的原则对元素举办排序。
PriorityBlockingQueue是一个支持优先级的无界行列。默认环境下元素采纳自然顺序分列，也可以通 过较量器comparator来指定元素的排序法则。元素凭据升序分列。
DelayQueue是一个支持延时获取元素的无界阻塞行列。行列利用PriorityQueue来实现。行列中的元素 必需实现Delayed接口，在建设元素时可以指定多久才气从行列中获取当前元素。只有在延迟期满时才气 从行列中提取元素。我们可以将DelayQueue运用在以下应用场景：
缓存系统的设计：可以用DelayQueue生存缓存元素的有效期，利用一个线程轮回查询DelayQueue，一 旦能从DelayQueue中获取元素时，暗示缓存有效期到了。
按时任务调治。利用DelayQueue生存当天将会执行的任务和执行时间，一旦从DelayQueue中获取到任 务就开始执行，从好比TimerQueue就是利用DelayQueue实现的。
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行列中的Delayed必需实现compareTo来指定元素的顺序。好比让延时时间最长的放在行列的末端。实 现代码如下：
public int compareTo(Delayed other) {
if (other == this) // compare zero ONLY if same object
return 0;
if (other instanceof ScheduledFutureTask) {
ScheduledFutureTask x = (ScheduledFutureTask)other;
long diff = time - x.time;
if (diff < 0)
return -1;
else if (diff > 0)
return 1;
else if (sequenceNumber < x.sequenceNumber)
return -1;
else
return 1;
}
long d = (getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) -
other.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS));
return (d == 0) ? 0 : ((d < 0) ? -1 : 1);
}
如何实现Delayed接口
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我们可以参考ScheduledThreadPoolExecutor里ScheduledFutureTask类。这个类实现了Delayed接口。 首先：在工具建设的时候，利用time记录前工具什么时候可以利用，代码如下：
ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns, long period) {
super(r, result);
this.time = ns;
this.period = period;
this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement();
}
然后利用getDelay可以查询当前元素还需要延时多久，代码如下：
public long getDelay(TimeUnit unit) {
return unit.convert(time - now(), TimeUnit.NANOSECONDS);
}
通过结构函数可以看出延迟时间参数ns的单元是纳秒，本身设计的时候最好利用纳秒，因为getDelay 时可以指定任意单元，一旦以纳秒作为单元，而延时的时间又准确不到纳秒就贫苦了。利用时请留意当 time小于当前时间时，getDelay会返回负数。
如何实现延时行列
延时行列的实现很简朴，当消费者从行列里获取元素时，假如元素没有到达延时时间，就阻塞当前线 程。
long delay = first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS);
if (delay <= 0)
return q.poll();
else if (leader != null)
available.await();
SynchronousQueue是一个不存储元素的阻塞行列。每一个put操纵必需期待一个take操纵，不然不能继 续添加元素。SynchronousQueue可以当作是一个传球手，认真把出产者线程处理惩罚的数据直接通报给消费者 线程。行列自己并不存储任何元素，很是适合于通报性场景,好比在一个线程中利用的数据，通报给别的 一个线程利用，SynchronousQueue的吞吐量高于LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue。
LinkedTransferQueue是一个由链表布局构成的无界阻塞TransferQueue行列。相对付其他阻塞行列， LinkedTransferQueue多了tryTransfer和transfer要领。
transfer要领。假如当前有消费者正在期待吸收元素（消费者利用take()要领或带时间限制的poll() 要领时），transfer要领可以把出产者传入的元素立即transfer（传输）给消费者。假如没有消费者在等 待吸收元素，transfer要了解将元素存放在行列的tail节点，并比及该元素被消费者消费了才返回。 transfer要领的要害代码如下：
Node pred = tryAppend(s, haveData); return awaitMatch(s, pred, e, (how == TIMED), nanos);
第一行代码是试图把存放当前元素的s节点作为tail节点。第二行代码是让CPU自旋期待消费者消费元 素。因为自旋会耗损CPU，所以自旋必然的次数后利用Thread.yield()要领来暂就绪前正在执行的线程， 并执行其他线程。
tryTransfer要领。则是用来试探下出产者传入的元素是否能直接传给消费者。假如没有消费者期待接 收元素，则返回false。和transfer要领的区别是tryTransfer要领无论消费者是否吸收，要领当即返回。 而transfer要领是必需比及消费者消费了才返回。
对付带有时间限制的tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit)要领，则是试图把出产者传入 的元素直接传给消费者，可是假如没有消费者消费该元素则期待指定的时间再返回，假如超时还没消费元 素，则返回false，假如在超时时间内消费了元素，则返回true。
LinkedBlockingDeque是一个由链表布局构成的双向阻塞行列。所谓双向行列指的你可以从行列的两头 插入和移出元素。双端行列因为多了一个操纵行列的进口，在多线程同时入队时，也就淘汰了一半的竞争 。对比其他的阻塞行列，LinkedBlockingDeque多了addFirst，addLast，offerFirst，offerLast， peekFirst，peekLast等要领，以First单词末了的要领，暗示插入，获取（peek）或移除双端行列的第一 个元素。以Last单词末了的要领，暗示插入，获取或移除双端行列的最后一个元素。别的插入要领add等 同于addLast，移除要领remove等效于removeFirst。可是take要领却等同于takeFirst，不知道是不是Jdk 的bug，利用时照旧用带有First和Last后缀的要领更清楚。
在初始化LinkedBlockingDeque时可以配置容量防备其过渡膨胀。别的双向阻塞行列可以运用在 “事情窃取”模式中。
3. 阻塞行列的实现道理
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假如行列是空的，消费者会一直期待，当出产者添加元素时候，消费者是如何知道当前行列有元素的 呢？假如让你来设计阻塞行列你会如何设计，让出产者和消费者可以或许高效率的举办通讯呢？让我们先来看 看JDK是如何实现的。
利用通知模式实现。所谓通知模式，就是当出产者往满的行列里添加元素时会阻塞住出产者，当消费 者消费了一个行列中的元素后，会通知出产者当前行列可用。通过查察JDK源码发明ArrayBlockingQueue 利用了Condition来实现，代码如下：
private final Condition notFull;
private final Condition notEmpty;
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
//省略其他代码
notEmpty = lock.newCondition();
notFull = lock.newCondition();
}
public void put(E e) throws InterruptedException {
checkNotNull(e);
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == items.length)
notFull.await();
insert(e);
} finally {
lock.unlock();
}
}
public E take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == 0)
notEmpty.await();
return extract();
} finally {
lock.unlock();
}
}
private void insert(E x) {
items[putIndex] = x;
putIndex = inc(putIndex);
++count;
notEmpty.signal();
}
当我们往行列里插入一个元素时，假如行列不行用，阻塞出产者主要通过LockSupport.park(this);来 实现
public final void await() throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
Node node = addConditionWaiter();
int savedState = fullyRelease(node);
int interruptMode = 0;
while (!isOnSyncQueue(node)) {
LockSupport.park(this);
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
}
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;
if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}
继承进入源码，发明挪用setBlocker先生存下将要阻塞的线程，然后挪用unsafe.park阻塞当前线程。
public static void park(Object blocker) {
Thread t = Thread.currentThread();
setBlocker(t, blocker);
unsafe.park(false, 0L);
setBlocker(t, null);
}
unsafe.park是个native要领，代码如下：
public native void park(boolean isAbsolute, long time);
park这个要了解阻塞当前线程，只有以下四种环境中的一种产生时，该要领才会返回。
与park对应的unpark执行或已经执行时。留意：已经执行是指unpark先执行，然后再执行的park。
线程被间断时。
假如参数中的time不是零，期待了指定的毫秒数时。
产生异常现象时。这些异常事先无法确定。
我们继承看一下JVM是如何实现park要领的，park在差异的操纵系统利用差异的方法实现，在linux下 是利用的是系统要领pthread_cond_wait实现。实现代码在JVM源码路径src/os/linux/vm/os_linux.cpp里 的 os::PlatformEvent::park要领，代码如下：
void os::PlatformEvent::park() {
int v ;
for (;;) {
v = _Event ;
if (Atomic::cmpxchg (v-1, &_Event, v) == v) break ;
}
guarantee (v >= 0, "invariant") ;
if (v == 0) {
// Do this the hard way by blocking ...
int status = pthread_mutex_lock(_mutex);
assert_status(status == 0, status, "mutex_lock");
guarantee (_nParked == 0, "invariant") ;
++ _nParked ;
while (_Event < 0) {
status = pthread_cond_wait(_cond, _mutex);
// for some reason, under 2.7 lwp_cond_wait() may return ETIME ...
// Treat this the same as if the wait was interrupted
if (status == ETIME) { status = EINTR; }
assert_status(status == 0 || status == EINTR, status, "cond_wait");
}
-- _nParked ;
// In theory we could move the ST of 0 into _Event past the unlock(),
// but then we'd need a MEMBAR after the ST.
_Event = 0 ;
status = pthread_mutex_unlock(_mutex);
assert_status(status == 0, status, "mutex_unlock");
}
guarantee (_Event >= 0, "invariant") ;
}
}
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pthread_cond_wait是一个多线程的条件变量函数，cond是condition的缩写，字面意思可以领略为线 程在期待一个条件产生，这个条件是一个全局变量。这个要领吸收两个参数，一个共享变量_cond，一个 互斥量_mutex。而unpark要领在linux下是利用pthread_cond_signal实现的。park 在windows下则是利用 WaitForSingleObject实现的。
当行列满时，出产者往阻塞行列里插入一个元素，出产者线程会进入WAITING (parking)状态。我们可 以利用jstack dump阻塞的出产者线程看到这点：
"main" prio=5 tid=0x00007fc83c000000 nid=0x10164e000 waiting on condition
[0x000000010164d000]
java.lang.Thread.State: WAITING (parking)
at sun.misc.Unsafe.park(Native Method)
- parking to wait for <0x0000000140559fe8> (a
java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject)
at java.util.concurrent.locks.LockSupport.park(LockSupport.java:186)
at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject.await
(AbstractQueuedSynchronizer.java:2043)
at java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue.put(ArrayBlockingQueue.java:324)
at blockingqueue.ArrayBlockingQueueTest.main(ArrayBlockingQueueTest.java:11)
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