10分钟搞定 Java 并发队列好吗？好的

前言

如果按照用途与特性进行粗略的划分，JUC 包中包含的工具大体可以分为 6 类：

1. 执行者与线程池
2. 并发队列
3. 同步工具
4. 并发集合
5. 锁
6. 原子变量

在【并发系列】中，主要讲解了 执行者与线程池，同步工具，锁 ， 在分析源码时，或多或少的提及到了「队列」，队列在 JUC 中也是多种多样存在，所以本文就以「远看」视角，帮助大家快速了解与区分这些看似「杂乱」的队列

并发队列

Java 并发队列按照实现方式来进行划分可以分为 2 种：

1. 阻塞队列
2. 非阻塞队列

如果你已经看完并发系列锁的实现，你已经能够知道他们实现的区别：

前者就是基于锁实现的，后者则是基于 CAS 非阻塞算法实现的

常见的队列有下面这几种：

 

瞬间懵逼?看到这个没有人性的图想直接走人?客观先别急，一会就柳暗花明了

当下你也许有个问题：

为什么会有这么多种队列的存在?

锁有应对各种情形的锁，队列也自然有应对各种情形的队列了, 是不是也有点单一职责原则的意思呢?

所以我们要了解这些队列到底是怎么设计的?以及用在了哪些地方?

先来看下图

 

如果你在 IDE 中打开以上非阻塞队列和阻塞队列，查看其实现方法，你就会发现，阻塞队列较非阻塞队列 额外支持两种操作：

阻塞的插入

当队列满时，队列会阻塞插入元素的线程，直到队列不满

阻塞的移除

当队列为空时，获取元素的线程会阻塞，直到队列变为非空

综合说明入队/出队操作，看似杂乱的方法，用一个表格就能概括了

 

抛出异常

• 当队列满时，此时如果再向队列中插入元素，会抛出 IllegalStateException (这很好理解)
• 当队列空时，此时如果再从队列中获取元素，会抛出 NoSuchElementException (这也很好理解)

返回特殊值

• 当向队列插入元素时，会返回元素是否插入成功，成功则返回 true
• 当从队列移除元素时，如果没有则返回 null

一直阻塞

• 当队列满时，如果生产者线程向队列 put 元素，队列会一直阻塞生产者线程，直到队列可用或者响应中断退出
• 当队列为空时，如果消费者线程 从队列里面 take 元素，队列会阻塞消费者线程，直到队列不为空

关于阻塞，我们其实早在 并发编程之等待通知机制 就已经充分说明过了，你还记得下面这张图吗?原理其实是一样一样滴

 

超时退出

和锁一样，因为有阻塞，为了灵活使用，就一定支持超时退出，阻塞时间达到超时时间，就会直接返回

至于为啥插入和移除这么多种单词表示形式，我也不知道，为了方便记忆，只需要记住阻塞的方法形式即可：

单词 put 和 take 字母 t 首位相连，一个放，一个拿

到这里你应该对 Java 并发队列有了个初步的认识了，原来看似杂乱的方法貌似也有了规律。接下来就到了疯狂串知识点的时刻了，借助前序章节的知识，分分钟就理解全部队列了

 

ArrayBlockingQueue

之前也说过，JDK中的命名还是很讲究滴，一看这名字，底层就是数组实现了，是否有界，那就看在构造的时候是否需要指定 capacity 值了

填鸭式的说明也容易忘，这些都是哪看到的呢?在所有队列的 Java docs 的第一段，一句话就概括了该队列的主要特性，所以强烈建议大家自己在看源码时，简单瞄一眼 docs 开头，心中就有多半个数了

 

在讲 Java AQS队列同步器以及ReentrantLock的应用 时我们介绍了公平锁与非公平锁的概念，ArrayBlockingQueue 也有同样的概念，看它的构造方法，就有 ReentrantLock 来辅助实现

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(); 
} 

默认情况下，依旧是不保证线程公平访问队列(公平与否是指阻塞的线程能否按照阻塞的先后顺序访问队列，先阻塞线访问，后阻塞后访问)

到这我也要临时问一个说过多次的面试送分题了：

为什么默认采用非公平锁的方式?它较公平锁方式有什么好处，又可能带来哪些问题?

知道了以上内容，结合上面表格中的方法，ArrayBlockingQueue 就可以轻松过关了

 

和数组相对的自然是链表了

LinkedBlockingQueue

 

LinkedBlockingQueue 也算是一个有界阻塞队列 ，从下面的构造函数中你也可以看出，该队列的默认和最大长度为 Integer.MAX_VALUE ，这也就 docs 说 optionally-bounded 的原因了

public LinkedBlockingQueue() { 
    this(Integer.MAX_VALUE); 
} 
 
public LinkedBlockingQueue(int capacity) { 
  if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException(); 
  this.capacity = capacity; 
  last = head = new Node<E>(null); 
} 

正如 Java 集合一样，链表形式的队列，其存取效率要比数组形式的队列高。但是在一些并发程序中，数组形式的队列由于具有一定的可预测性，因此可以在某些场景中获得更高的效率

看到 LinkedBlockingQueue 是不是也有些熟悉呢?为什么要使用线程池? 就已经和它多次照面了

创建单个线程池

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() { 
    return new FinalizableDelegatedExecutorService 
        (new ThreadPoolExecutor(1, 1, 
                                0L, TimeUnit.MILLISECONDS, 
                                new LinkedBlockingQueue<Runnable>())); 
} 

创建固定个数线程池

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

面试送分题又来了

使用 Executors 创建线程池很简单，为什么大厂严格要求禁用这种创建方式呢?

PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue 是一个支持优先级的无界的阻塞队列，默认情况下采用自然顺序升序排列，当然也有非默认情况自定义优先级，需要排序，那自然要用到 Comparator 来定义排序规则了

 

可以定义优先级，自然也就有相应的限制，以及使用的注意事项

• 按照上图说明，队列中不允许存在 null 值，也不允许存在不能排序的元素
• 对于排序值相同的元素，其序列是不保证的，但你可以继续自定义其他可以区分出来优先级的值，如果你有严格的优先级区分，建议有更完善的比较规则，就像 Java docs 这样

class FIFOEntry<E extends Comparable<? super E>> 
    implements Comparable<FIFOEntry<E>> { 
  static final AtomicLong seq = new AtomicLong(0); 
  final long seqNum; 
  final E entry; 
  public FIFOEntry(E entry) { 
    seqNum = seq.getAndIncrement(); 
    this.entry = entry; 
  } 
  public E getEntry() { return entry; } 
  public int compareTo(FIFOEntry<E> other) { 
    int res = entry.compareTo(other.entry); 
    if (res == 0 && other.entry != this.entry) 
      res = (seqNum < other.seqNum ? -1 : 1); 
    return res; 
  } 
} 

• 队列容量是没有上限的，但是如果插入的元素超过负载，有可能会引起OutOfMemory异常(这是肯定的)，这也是为什么我们通常所说，队列无界，心中有界
• PriorityBlockingQueue 也有 put 方法，这是一个阻塞的方法，因为它是无界的，自然不会阻塞，所以就有了下面比较聪明的做法

public void put(E e) { 
    offer(e); // never need to block  请自行对照上面表格 
} 

• 可以给定初始容量，这个容量会按照一定的算法自动扩充

// Default array capacity. 
private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 11; 
 
public PriorityBlockingQueue() { 
    this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, null); 
} 

这里默认的容量是 11，由于也是基于数组，那面试送分题又来了

你通常是怎样定义容器/集合初始容量的?有哪些依据?

DelayQueue

DelayQueue 是一个支持延时获取元素的无界阻塞队列

• 是否延时肯定是和某个时间(通常和当前时间) 进行比较
• 比较过后还要进行排序，所以也是存在一定的优先级

看到这也许觉得这有点和 PriorityBlockingQueue 很像，没错，DelayQueue 的内部也是使用 PriorityQueue

 

上图绿色框线也告诉你，DelayQueue 队列的元素必须要实现 Depayed 接口：

 

所以从上图可以看出使用 DelayQueue 非常简单，只需要两步：

实现 getDelay() 方法，返回元素要延时多长时间

public long getDelay(TimeUnit unit) { 
   // 最好采用纳秒形式，这样更精确 
    return unit.convert(time - now(), NANOSECONDS); 
} 

实现 compareTo() 方法，比较元素顺序

public int compareTo(Delayed other) { 
    if (other == this) // compare zero 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 diff = getDelay(NANOSECONDS) - other.getDelay(NANOSECONDS); 
    return (diff < 0) ? -1 : (diff > 0) ? 1 : 0; 
} 

上面的代码哪来的呢?如果你打开 ScheduledThreadPoolExecutor 里的 ScheduledFutureTask，你就看到了 (ScheduledThreadPoolExecutor 内部就是应用 DelayQueue)

所以综合来说，下面两种情况非常适合使用 DelayQueue

• 缓存系统的设计：用 DelayQueue 保存缓存元素的有效期，使用一个线程循环查询 DelayQueue，如果能从 DelayQueue 中获取元素，说明缓存有效期到了
• 定时任务调度：用 DelayQueue 保存当天会执行的任务以及时间，如果能从 DelayQueue 中获取元素，任务就可以开始执行了。比如 TimerQueue 就是这样实现的

SynchronousQueue

 

这是一个不存储元素的阻塞队列，不存储元素还叫队列?

 

没错，SynchronousQueue 直译过来叫同步队列，如果在队列里面呆久了应该就算是“异步”了吧

所以使用它，每个put() 操作必须要等待一个 take() 操作，反之亦然，否则不能继续添加元素

实际中怎么用呢?假如你需要两个线程之间同步共享变量，如果不用 SynchronousQueue 你可能会选择用 CountDownLatch 来完成，就像这样：

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2); 
AtomicInteger sharedState = new AtomicInteger(); 
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1); 
 
 
 
Runnable producer = () -> { 
    Integer producedElement = ThreadLocalRandom 
      .current() 
      .nextInt(); 
    sharedState.set(producedElement); 
    countDownLatch.countDown(); 
}; 
 
 
 
Runnable consumer = () -> { 
    try { 
        countDownLatch.await(); 
        Integer consumedElement = sharedState.get(); 
    } catch (InterruptedException ex) { 
        ex.printStackTrace(); 
    } 
}; 

这点小事就用计数器来实现，显然很不合适，用 SynchronousQueue 改造一下，感觉瞬间就不一样了

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2); 
SynchronousQueue<Integer> queue = new SynchronousQueue<>(); 
 
Runnable producer = () -> { 
    Integer producedElement = ThreadLocalRandom 
      .current() 
      .nextInt(); 
    try { 
        queue.put(producedElement); 
    } catch (InterruptedException ex) { 
        ex.printStackTrace(); 
    } 
}; 
 
Runnable consumer = () -> { 
    try { 
        Integer consumedElement = queue.take(); 
    } catch (InterruptedException ex) { 
        ex.printStackTrace(); 
    } 
}; 

其实 Executors.newCachedThreadPool() 方法里面使用的就是 SynchronousQueue

public static ExecutorService newCachedThreadPool() { 
    return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 
                                  60L, TimeUnit.SECONDS, 
                                  new SynchronousQueue<Runnable>()); 
} 

看到前面 LinkedBlockingQueue 用在 newSingleThreadExecutor 和newFixedThreadPool 上，而newCachedThreadPool 却用 SynchronousQueue，这是为什么呢?

因为单线程池和固定线程池中，线程数量是有限的，因此提交的任务需要在LinkedBlockingQueue队列中等待空余的线程;

而缓存线程池中，线程数量几乎无限(上限为Integer.MAX_VALUE)，因此提交的任务只需要在SynchronousQueue 队列中同步移交给空余线程即可, 所以有时也会说SynchronousQueue 的吞吐量要高于 LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue

LinkedTransferQueue

简单来说，TransferQueue提供了一个场所，生产者线程使用 transfer 方法传入一些对象并阻塞，直至这些对象被消费者线程全部取出。

你有没有觉得，刚刚介绍的 SynchronousQueue 是否很像一个容量为 0 的 TransferQueue。

但 LinkedTransferQueue 相比其他阻塞队列多了三个方法

transfer(E e)如果当前有消费者正在等待消费元素，transfer 方法就可以直接将生产者传入的元素立刻 transfer (传输) 给消费者;如果没有消费者等待消费元素，那么 transfer 方法会把元素放到队列的 tail(尾部)

节点，一直阻塞，直到该元素被消费者消费才返回

• tryTransfer(E e)

tryTransfer，很显然是一种尝试，如果没有消费者等待消费元素，则马上返回 false ，程序不会阻塞

• tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit)

带有超时限制，尝试将生产者传入的元素 transfer 给消费者，如果超时时间到，还没有消费者消费元素，则返回 false

你瞧，所有阻塞的方法都是一个套路：

1. 阻塞方式
2. 带有 try 的非阻塞方式
3. 带有 try 和超时时间的非阻塞方式

看到这你也许感觉 LinkedTransferQueue 没啥特点，其实它和其他阻塞队列的差别还挺大的：

BlockingQueue 是如果队列满了，线程才会阻塞;但是 TransferQueue 是如果没有消费元素，则会阻塞 (transfer 方法)

这也就应了 Doug Lea 说的那句话：

LinkedTransferQueue is actually a superset of ConcurrentLinkedQueue, SynchronousQueue (in “fair” mode), and unboundedLinkedBlockingQueues. And it’s made better by allowing you to mix and match those features as well as take advantage of higher-performance i mplementation techniques.

简单翻译：LinkedTransferQueue 是ConcurrentLinkedQueue, SynchronousQueue (在公平模式下), 无界的LinkedBlockingQueues等的超集; 允许你混合使用阻塞队列的多种特性

所以，在合适的场景中，请尽量使用LinkedTransferQueue上面都看的是单向队列 FIFO，接下来我们看看双向队列

LinkedBlockingDeque

LinkedBlockingDeque 是一个由链表结构组成的双向阻塞队列，凡是后缀为 Deque 的都是双向队列意思，后缀的发音为deck——/dek/, 刚接触它时我以为是这个冰激凌的发音

 

所谓双向队列值得就是可以从队列的两端插入和移除元素。所以：

双向队列因为多了一个操作队列的入口，在多线程同时入队是，也就会减少一半的竞争

队列有头，有尾，因此它又比其他阻塞队列多了几个特殊的方法

• addFirst
• addLast
• xxxxFirst
• xxxxLast
• ... ...

这么一看，双向阻塞队列确实很高效，

那双向阻塞队列应用在什么地方了呢?

不知道你是否听过 “工作窃取”模式，看似不太厚道的一种方法，实则是高效利用线程的好办法。下一篇文章，我们就来看看 ForkJoinPool 是如何应用 “工作窃取”模式的

总结

 

到这关于 Java 队列(其实主要介绍了阻塞队列)就快速的区分完了，将看似杂乱的方法做了分类整理，方便快速理解其用途，同时也说明了这些队列的实际用途。相信你带着更高的视角来阅读源码会更加轻松，最后也希望大家认真看两个队列的源码实现，在遇到队列的问题，脑海中的画面分分钟就可以搞定了

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