add：并发容器之BlockingQueue

src/computer/language/java/JUC 并发编程/19. 并发容器之BlockingQueue.md

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+category: 
+- 并发编程
+tag: 
+- JUC
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+# 并发容器之 BlockingQueue
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+<!-- more -->
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+## 1. BlockingQueue 简介
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+在实际编程中，会经常使用到 JDK 中 Collection 集合框架中的各种容器类如实现 List，Map，Queue 接口的容器类，但是这些容器类基本上不是线程安全的，除了使用 Collections 可以将其转换为线程安全的容器，$Doug \ Lea$ 大师为我们都准备了对应的线程安全的容器，如实现 List 接口的 [CopyOnWriteArrayList](./16.%20并发容器之CopyOnWriteArrayList.md)，实现 Map 接口的 [ConcurrentHashMap](./14.%20并发容器之ConcurrentHashMap.md)，实现 Queue 接口的 [ConcurrentLinkedQueue](./15.%20并发容器之ConcurrentLinkedQueue.md)。
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+最常用的 “**生产者-消费者**” 问题中，队列通常被视作线程间操作的数据容器，这样就可以对各个模块的业务功能进行解耦，生产者将 “生产” 出来的数据放置在数据容器中，而消费者仅仅只需要在 “数据容器” 中进行获取数据即可，这样生产者线程和消费者线程就能够进行解耦，只专注于自己的业务功能即可。
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+阻塞队列（BlockingQueue）被广泛使用在 “生产者-消费者” 问题中，其原因是 BlockingQueue 提供了可阻塞的插入和移除的方法。**当队列容器已满，生产者线程会被阻塞，直到队列未满；当队列容器为空时，消费者线程会被阻塞，直至队列非空时为止**。
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+## 2. 基本操作
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+BlockingQueue 基本操作总结如下（此图来源于 JAVA API 文档）：
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+![BlockingQueue 基本操作](https://cloud.braumace.cn/f/GRdHV/19.1%20BlockingQueue%E5%9F%BA%E6%9C%AC%E6%93%8D%E4%BD%9C.png)
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+BlockingQueue 继承于 Queue 接口，因此，对数据元素的基本操作有：
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+1. **插入元素**
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+    `add(E e)`：往队列插入数据，当队列满时，插入元素时会抛出 IllegalStateException 异常。
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+    `offer(E e)`：当往队列插入数据时，插入成功返回 $true$，否则则返回 $false$。当队列满时不会抛出异常。
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+2. **删除元素**
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+    `remove(Object o)`：从队列中删除数据，成功则返回 $true$，否则为 $false$。
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+    `poll()`：删除数据，当队列为空时，返回 `null`。
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+3. **查看元素**
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+    `element()`：获取队头元素，如果队列为空时则抛出 NoSuchElementException 异常。
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+    `peek()`：获取队头元素，如果队列为空则抛出 NoSuchElementException 异常。
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+BlockingQueue 具有的特殊操作：
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+1. **插入数据**
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+    `put(E e)`：当阻塞队列容量已经满时，往阻塞队列插入数据的线程会被阻塞，直至阻塞队列已经有空余的容量可供使用。
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+    `offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)`：若阻塞队列已经满时，同样会阻塞插入数据的线程，直至阻塞队列已经有空余的地方，与 `put` 方法不同的是，该方法会有一个超时时间，若超过当前给定的超时时间，插入数据的线程会退出。
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+2. **删除数据**
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+    `take()`：当阻塞队列为空时，获取队头数据的线程会被阻塞。
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+    `poll(long timeout, TimeUnit unit)`：当阻塞队列为空时，获取数据的线程会被阻塞，另外，如果被阻塞的线程超过了给定的时长，该线程会退出。
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+## 3. 常用的 BlockingQueue
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+实现 BlockingQueue 接口的有 ArrayBlockingQueue，DelayQueue，LinkedBlockingDeque，LinkedBlockingQueue，LinkedTransferQueue，PriorityBlockingQueue，SynchronousQueue。而这几种常见的阻塞队列也是在实际编程中会常用的，下面对这几种常见的阻塞队列进行说明：
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+1. **ArrayBlockingQueue**
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+ArrayBlockingQueue 是由数组实现的有界阻塞队列。该队列命令元素 FIFO（先进先出）。因此，队头元素是队列中存在时间最长的数据元素，而队尾数据则是当前队列最新的数据元素。
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+ArrayBlockingQueue 可作为 “有界数据缓冲区”，生产者插入数据到队列容器中，并由消费者提取。
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+ArrayBlockingQueue 一旦创建，容量不能改变。
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+当队列容量满时，尝试将元素放入队列将导致操作阻塞；尝试从一个空队列中取一个元素也会同样阻塞。
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+ArrayBlockingQueue 默认情况下不能保证线程访问队列的公平性，所谓公平性是指严格按照线程等待的绝对时间顺序，即最先等待的线程能够最先访问到 ArrayBlockingQueue。而非公平性则是指访问 ArrayBlockingQueue 的顺序不是遵守严格的时间顺序，有可能存在，一旦 ArrayBlockingQueue 可以被访问时，长时间阻塞的线程依然无法访问到 ArrayBlockingQueue。**如果保证公平性，通常会降低吞吐量**。如果需要获得公平性的 ArrayBlockingQueue，可采用如下代码：
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+```java
+private static ArrayBlockingQueue<Integer> blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<Integer>(10,true);
+```
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+关于 ArrayBlockingQueue 的实现原理，在[下一篇文章]()。
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+2. **LinkedBlockingQueue**
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+LinkedBlockingQueue 是用链表实现的有界阻塞队列，同样满足 FIFO 的特性，与 ArrayBlockingQueue 相比起来具有更高的吞吐量。
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+为了防止 LinkedBlockingQueue 容量迅速增，损耗大量内存，通常在创建 LinkedBlockingQueue 对象时，会指定其大小，如果未指定，容量等于 `Integer.MAX_VALUE`。
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+3. **PriorityBlockingQueue**
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+PriorityBlockingQueue 是一个支持优先级的无界阻塞队列。
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+默认情况下元素采用自然顺序进行排序，也可以通过自定义类实现 `compareTo()` 方法来指定元素排序规则，或者初始化时通过构造器参数 Comparator 来指定排序规则。
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+4. **SynchronousQueue**
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+SynchronousQueue 每个插入操作必须等待另一个线程进行相应的删除操作，因此，SynchronousQueue 实际上没有存储任何数据元素，因为只有线程在删除数据时，其他线程才能插入数据，同样的，如果当前有线程在插入数据时，线程才能删除数据。
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+SynchronousQueue 也可以通过构造器参数来为其指定公平性。
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+5. **LinkedTransferQueue**
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+LinkedTransferQueue 是一个由链表数据结构构成的无界阻塞队列，由于该队列实现了 TransferQueue 接口，与其他阻塞队列相比主要有以下不同的方法：
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+`transfer(E e)`：如果当前有线程（消费者）正在调用 `take()` 方法或者可延时的 `poll()` 方法在消费数据，生产者线程可以调用 `transfer` 方法将数据传递给消费者线程。如果当前没有消费者线程，生产者线程就会将数据插入到队尾，直到有消费者能够进行消费才能退出。
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+`tryTransfer(E e)`：如果当前有线程（消费者）正在调用 `take()` 方法或者具有超时特性的 `poll()` 方法在消费数据，该方法可以将数据立即传送给消费者线程，如果当前没有消费者线程消费数据，就立即返回 $false$。
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+因此，与 `transfer` 方法相比，`transfer` 方法是必须等到有消费者线程消费数据时，生产者线程才能够返回。而 `tryTransfer` 方法能够立即返回结果退出。
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+`tryTransfer(E e,long timeout,imeUnit unit)`：与 `transfer` 基本功能一样，只是增加了超时特性，如果数据在规定的超时时间内没有消费者进行消费的话，就返回 $false$。
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+6. **LinkedBlockingDeque**
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+LinkedBlockingDeque 是基于链表数据结构的有界阻塞双端队列，如果在创建对象时未指定大小，其默认大小为 `Integer.MAX_VALUE`。
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+与 LinkedBlockingQueue 相比，主要的不同点在于 LinkedBlockingDeque 具有双端队列的特性。
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+LinkedBlockingDeque 基本操作如下图所示（来源于 Java 文档）
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+![LinkedBlockingDeque 的基本操作](https://cloud.braumace.cn/f/8mgc3/19.2%20LinkedBlockingDeque%E7%9A%84%E5%9F%BA%E6%9C%AC%E6%93%8D%E4%BD%9C.png)
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+如上图所示，LinkedBlockingDeque 的基本操作可以分为四种类型：
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+1. 特殊情况，抛出异常；
+2. 特殊情况，返回特殊值，如 `null` 或者 $false$；
+3. 当线程不满足操作条件时，线程会被阻塞直至条件满足；
+4. 操作具有超时特性。
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+另外，LinkedBlockingDeque 实现了 BlockingDueue 接口而 LinkedBlockingQueue 实现的是 BlockingQueue，这两个接口的主要区别如下图所示（来源于 Java 文档）：
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+![BlockingQueue 和 BlockingDeque 的区别](https://cloud.braumace.cn/f/KmrT9/19.3%20BlockingQueue%E5%92%8CBlockingDeque%E7%9A%84%E5%8C%BA%E5%88%AB.png)
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+从上图可以看出，两个接口的功能是可以等价使用的，比如 BlockingQueue 的 `add` 方法和 BlockingDeque 的 `addLast` 方法的功能是一样的。
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+7. **DelayQueue**
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+DelayQueue 是一个存放实现 Delayed 接口的数据的无界阻塞队列，只有当数据对象的延时时间达到时才能插入到队列进行存储。
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+如果当前所有的数据都还没有达到创建时所指定的延时期，则队列没有队头，并且线程通过 `poll` 等方法获取数据元素会返回 `null`。
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+所谓**数据延时期满**，是通过 Delayed 接口的 `getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS)` 来进行判定，如果该方法返回的是小于等于 $0$ 则说明该数据元素的延时期已满。