Java多线程进阶（三一）—— J.U.C之collections框架：BlockingQueue接口

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一、引言

从本节开始，我们将介绍juc-collections框架中的“阻塞队列”部分。阻塞队列在实际应用中非常广泛，许多消息中间件中定义的队列，通常就是一种“阻塞队列”。

那么“阻塞队列”和我们之前讨论过的ConcurrentLinkedQueue、ConcurrentLinkedDeque有什么不同呢？

ConcurrentLinkedQueue和ConcurrentLinkedDeque是以非阻塞算法实现的高性能队列，其使用场景一般是在并发环境下，需要“队列”/“栈”这类数据结构时才会使用；而“阻塞队列”通常利用了“锁”来实现，也就是会阻塞调用线程，其使用场景一般是在“生产者-消费者”模式中，用于线程之间的数据交换或系统解耦。

在Java多线程基础（七）——Producer-Consumer模式中，我们曾简要的谈到过“生产者-消费者”这种模式。在这种模式中，“生产者”和“消费者”是相互独立的，两者之间的通信需要依靠一个队列。这个队列，其实就是本文中的“阻塞队列”。

引入“阻塞队列”的最大好处就是解耦，在软件工程中，“高内聚，低耦合”是进行模块设计的准则之一，这样“生产者”和“消费者”其实是互不影响的，将来任意一方需要升级时，可以保证系统的平滑过渡。

二、BlockingQueue简介

BlockingQueue是在JDK1.5时，随着J.U.C引入的一个接口：

BlockingQueue继承了Queue接口，提供了一些阻塞方法，主要作用如下：

1. 当线程向队列中插入元素时，如果队列已满，则阻塞线程，直到队列有空闲位置（非满）；
2. 当线程从队列中取元素（删除队列元素）时，如果队列未空，则阻塞线程，直到队列有元素；

既然BlockingQueue是一种队列，所以也具备队列的三种基本方法：插入、删除、读取：

操作类型	抛出异常	返回特殊值	阻塞线程	超时
插入	add(e)	offer(e)	put(e)	offer(e, time, unit)
删除	remove()	poll()	take()	poll(time, unit)
读取	element()	peek()	/	/

可以看到，对于每种基本方法，“抛出异常”和“返回特殊值”的方法定义和Queue是完全一样的。BlockingQueue只是增加了两类和阻塞相关的方法：put(e)、take()；offer(e, time, unit)、poll(time, unit)。

put(e)和take()方法会一直阻塞调用线程，直到线程被中断或队列状态可用；
offer(e, time, unit)和poll(time, unit)方法会限时阻塞调用线程，直到超时或线程被中断或队列状态可用。

public interface BlockingQueue<E> extends Queue<E> {
    /**
     * 插入元素e至队尾, 如果队列已满, 则阻塞调用线程直到队列有空闲空间.
     */
    void put(E e) throws InterruptedException;

    /**
     * 插入元素e至队列, 如果队列已满, 则限时阻塞调用线程，直到队列有空闲空间或超时.
     */
    boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException;

    /**
     * 从队首删除元素，如果队列为空, 则阻塞调用线程直到队列中有元素.
     */
    E take() throws InterruptedException;

    /**
     * 从队首删除元素，如果队列为空, 则限时阻塞调用线程，直到队列中有元素或超时.
     */
    E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

    // ...
}

除此之外，BlockingQueue还具有以下特点：

• BlockingQueue队列中不能包含null元素；
• BlockingQueue接口的实现类都必须是线程安全的，实现类一般通过“锁”保证线程安全；
• BlockingQueue 可以是限定容量的。remainingCapacity()方法用于返回剩余可用容量，对于没有容量限制的BlockingQueue实现，该方法总是返回Integer.MAX_VALUE 。

三、再谈“生产者-消费者”模式

最后，我们来看下如何利用BlockingQueue来实现生产者-消费者模式。在生产者-消费者模式中，一共有四类角色：生产者、消费者、消息队列、消息体。我们利用BlockingQueue来实现消息队列，其余部分没有什么变化。

Producer(生产者)

生产者生产消息体（Data），并将消息体（Data）传递给通道（Channel）。

/**
 * 生产者
 */
public class Producer implements Runnable {

    private Channel channel;

    public Producer(Channel channel) {
        this.channel = channel;
    }

    @Override
    public void run() {

        while (true) {
            String v = String.valueOf(ThreadLocalRandom.current().nextInt());
            Data data = new Data(v);
            try {
                channel.put(data);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " produce :" + data);

            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            Thread.yield();
        }
    }
}

Consumer(消费者)

消费者从通道（Channel）中获取数据，进行处理。

/**
 * 消费者
 */
public class Consumer implements Runnable {
    private final Channel channel;

    public Consumer(Channel channel) {
        this.channel = channel;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {

            try {
                Object obj = channel.take();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " consume :" + obj.toString());
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            Thread.yield();
        }
    }
}

Channel（通道）

相当于消息的队列，对消息进行排队，控制消息的传输。

/**
 * 通道类
 */
public class Channel {

    private final BlockingQueue blockingQueue;


    public Channel(BlockingQueue blockingQueue) {
        this.blockingQueue = blockingQueue;
    }

    public Object take() throws InterruptedException {
        return blockingQueue.take();
    }

    public void put(Object o) throws InterruptedException {
        blockingQueue.put(o);
    }

}

Data（消息体/数据）

Data代表了实际生产或消费的数据。

/**
 * 数据/消息
 */
public class Data<T> implements Serializable {
    private T data;

    public Data(T data) {
        this.data = data;
    }

    public T getData() {
        return data;
    }

    public void setData(T data) {
        this.data = data;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Data{" +
            "data=" + data +
            '}';
    }
}

调用如下：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        BlockingQueue blockingQueue = new SomeQueueImplementation();
        Channel channel = new Channel(blockingQueue);

        Producer p = new Producer(channel);
        Consumer c1 = new Consumer(channel);
        Consumer c2 = new Consumer(channel);

        new Thread(p).start();
        new Thread(c1).start();
        new Thread(c2).start();

    }
}