Java 队列

引言

本周在编写短信验证码频率限制切面的时候，经潘老师给的实现思路，使用队列进行实现。

看了看java.util包下的Queue接口，发现还从来没用过呢！

Collection集合类接口，由它派生出List、Set和Queue，Map属于另一个独立的接口，和Collection没有继承关系。

List、Set和Map我们用的都是已经相当熟练了，今天，我们就来学习这个队列Queue！

探索

队列与栈都是数据结构的基础话题，队列：先进先出；栈：后进先出。

方法

Queue接口中声明了六个方法，分成三对来使用。

入队操作

方法	特点	建议
add	入队失败抛出异常
offer	入队失败返回false	推荐

出队操作

方法	特点	建议
remove	出队失败抛出异常
poll	出队失败返回null	推荐

取队头操作

方法	特点	建议
element	队列为空时抛出异常
peek	队列为空时返回null	推荐

PriorityQueue

在java.util包中，除抽象类外，直接实现Queue接口的只有PriorityQueue优先级队列。

优先级队列比普通的队列要高级，普通的队列如果是先进的肯定是在队头的，而优先级队列根据优先级判断当前队头元素是什么。很适合实现操作系统中的按优先级实现进程调度。

如果需要使用优先级队列进行排序时，需要传入比较器。

该队列使用数组实现，线程不安全。

Deque

java.util包中，Deque接口继承Queue接口。

Deque：double-ended queue，双端队列。

双端队列，相比普通队列就是可操作两端，有两个队头，也有两个队尾。

所以再去看Deque接口中声明的方法，都是两套的。offerFirst、offerLast、pollFirst、pollLast等。

所以说，如果使用双端队列，不仅可以当队列用，也可以当栈用，因为可以自己控制出的是队头还是队尾。

Deque有两个实现类：ArrayDeque和LinkedList。

原来LinkedList不仅实现了List接口，还实现了Deque接口。

两者的区别显而易见，一个是数组方式实现的，一个是链表的方式实现的。

BlockingQueue

这些都是java.util包下的，都是线程不安全的实现，JDK所有线程安全的队列实现都在java.util.concurrent包下，也就是阻塞队列BlockingQueue。

在concurrent包下，自然是做了线程安全处理的了，在多线程环境下操作队列需要使用。

生产者消费者

与阻塞队列最密切的就是生产者消费者模型了，我们一起来探讨一下。

生产者消费者模型，最初出现在操作系统中，多进程/多线程进行协作，完成同一任务，必然需要相互合作与相互制约。

举一个符合实际的例子，我想喝可乐。

可口可乐公司就是生产者，用于生产商品。

超市就相当于缓冲区，用于存储生产者生产出来的可乐，公司生产出可乐，然后放到超市里卖。

我就是消费者，去超市买可乐(消费过程)。

所以就会有一个同步的问题：

假设场景：超市能容量100瓶可乐。

所以，消费者去购买的前提是：超市内有可乐，要不去了也买不着。

生产者生产的前提是：超市内有空余位置，要不生产了往哪送呢？

类比到程序设计中，就是进程或线程之间的相互制约，也就是所谓的同步！

线程类比

一图胜千言，我就不赘述了。

消费者线程想去找缓冲区要数据，先判断缓冲区内有没有数据，如果没有，消费者就拿不到，这个线程就等待，直到：缓冲区内有数据。如果有，就从缓冲区将数据拿走。

生产者线程要去生产数据，先判断缓冲区内有没有空余位置，如果没有，生产者就等待，直到：缓冲区内有空位，如果有，就生产数据，放入缓冲区。

阻塞队列

阻塞队列正适合生产者消费者模型，当队列满时，入队操作就会被阻塞，当队列空时，出队操作就会被阻塞。

入队出队的offer方法和poll方法与原队列接口的方法相比，多了时间的参数。当发生阻塞时，如果超过了设置的时间，线程就会退出，毕竟如果最坏的情况，一直不满足条件，也不能一直阻塞下去。

boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

实现类

ArrayBlockingQueue：数组实现的阻塞队列。

LinkedBlockingQueue：链表实现的阻塞队列。

PriorityBlockingQueue：优先级阻塞队列。

双向阻塞队列

这个简单，就是同时实现了BlockingQueue和Deque接口。

java.util.concurrent包下只有一个双向阻塞队列的实现：LinkedBlockingDeque。

延时队列

延时队列：DelayQueue，看这个类名，无疑了，此队列定与时间有关。

当一个元素入队时，它并不是马上进入队列，而是根据设定的时间延时之后再入队。

假设offer一个元素，设置时间为10s，在10s内访问队列，是访问不到元素的。

在延时之后，也就是10s之后，再去访问，该元素才在队列中。

使用场景

相关使用场景就是定时缓存。

HashMap和DelayQueue配合使用。用DelayQueue来存储缓存的key，如果队列中有元素，表示该key就已经过期。

然后再建一个线程去清理缓存，执行到poll方法时，使用不传时间的方法，如果队列为空，该线程就一直阻塞在这，不往下走。

队列中有元素时，就说明有key过期了，线程继续执行，然后元素出队，根据相应的key移除缓存。

细节

延时队列中存储的元素需要实现Delayed接口。

public interface Delayed extends Comparable<Delayed> {
    long getDelay(TimeUnit unit);
}

getDelay方法返回剩余的延时时间，如果返回值大于0，表示还未到入队时间。

同步队列

SynchronousQueue：同步队列。

最好的解释自然是官方文档：A BlockingQueue in which each insert operation must wait for a corresponding remove operation by another thread, and vice versa.

这是一个阻塞队列，它的特点是在执行插入操作时必须等待另一个线程的移除操作。什么意思呢？

通俗的来说就是买可乐不需要去超市了，我(消费者)直接和厂家(生产者)购买。

所以，生产者和消费者同时存在时，这个交易才能执行，两方达成约定后，生产者生产可乐，卖给消费者。缺少任何一方另一方都会被阻塞，条件满足时会唤醒对方继续执行，这就是所谓的同步。

代码层面讲就是：put和take方法都被调用的时候，两者才开始执行，并完成了数据的传递。

所以严格来说，虽然SynchronousQueue实现了队列接口，但是它的目的却并不是队列，而是将生产者消费者线程配对。

转移队列

LinkedTransferQueue：链式转移队列。虽然放在了最后，但是查阅相关文档发现，实际的生产环境中，这个队列最常用。

怎么转移的呢？

消费者找队列拿数据，如果没有数据可用，就设置一个标志位，表示我这里期待着一个数据，然后消费者就开始等。

等着等着，直到生产者来了，判断，如果有等着的，就直接把数据给它，实现了数据转移。如果没有呢？就去执行数据入队相关的操作。

总结

点开了阻塞队列的源码，发现线程安全是使用锁实现的。

再看看面试问的东西：乐观锁、悲观锁、自旋锁、偏向锁、公平锁，这都是写啥东西呀？

吾生也有涯，而Java无涯。