Java队列Queue详细分析

Queue:基本上,一个队列就是一个先入先出(FIFO)的数据结构

Queue接口与List、Set同一级别,都是继承了Collection接口。LinkedList实现了Deque接口。

Queue的实现

没有实现的阻塞接口的LinkedList

  • 实现了java.util.Queue接口和java.util.AbstractQueue接口
  • 内置的不阻塞队列:PriorityQueueConcurrentLinkedQueue
  • PriorityQueueConcurrentLinkedQueue类在 Collection Framework 中加入两个具体集合实现。
  • PriorityQueue类实质上维护了一个有序列表。加入到 Queue 中的元素根据它们的天然排序(通过其java.util.Comparable实现)或者根据传递给构造函数的java.util.Comparator实现来定位。
  • ConcurrentLinkedQueue是基于链接节点的、线程安全的队列。并发访问不需要同步。因为它在队列的尾部添加元素并从头部删除它们,所以只要不需要知道队列的大小,ConcurrentLinkedQueue对公共集合的共享访问就可以工作得很好。收集关于队列大小的信息会很慢,需要遍历队列。

实现阻塞接口的

java.util.concurrent 中加入了 BlockingQueue 接口和五个阻塞队列类。它实质上就是一种带有一点扭曲的 FIFO 数据结构。不是立即从队列中添加或者删除元素,线程执行操作阻塞,直到有空间或者元素可用。

五个队列所提供的各有不同:

  • ArrayBlockingQueue:一个由数组支持的有界队列
  • LinkedBlockingQueue:一个由链接节点支持的可选有界队列
  • PriorityBlockingQueue:一个由优先级堆支持的无界优先级队列
  • DelayQueue:一个由优先级堆支持的、基于时间的调度队列
  • SynchronousQueue:一个利用BlockingQueue接口的简单聚集(rendezvous)机制

阻塞队列的操作:

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add     增加一个元索                   如果队列已满,则抛出一个IIIegaISlabEepeplian异常
remove 移除并返回队列头部的元素 如果队列为空,则抛出一个NoSuchElementException异常
element 返回队列头部的元素 如果队列为空,则抛出一个NoSuchElementException异常
offer 添加一个元素并返回true 如果队列已满,则返回false
poll 移除并返问队列头部的元素 如果队列为空,则返回null
peek 返回队列头部的元素 如果队列为空,则返回null
put 添加一个元素 如果队列满,则阻塞
take 移除并返回队列头部的元素 如果队列为空,则阻塞

remove、element、offer 、poll、peek 其实是属于Queue接口。

阻塞队列的操作可以根据它们的响应方式分为以下三类:add、remove和element操作,在试图为一个已满的队列增加元素或从空队列取得元素时抛出异常。当然,在多线程程序中,队列在任何时间都可能变成满的或空的,所以你可能想使用offer、poll、peek方法。这些方法在无法完成任务时 只是给出一个出错提示而不会抛出异常。

注意:poll和peek方法出错进返回null。因此,向队列中插入null值是不合法的

最后,我们推荐阻塞操作put和take。put方法在队列满时阻塞,take方法在队列空时阻塞。

(1)LinkedBlockingQueue的容量是没有上限的(说的不准确,在不指定时容量为Integer.MAX_VALUE,不要然的话在put时怎么会受阻呢),但是也可以选择指定其最大容量,它是基于链表的队列,此队列按 FIFO(先进先出)排序元素。

(2)ArrayBlockingQueue在构造时需要指定容量,并可以选择是否需要公平性,如果公平参数被设置true,等待时间最长的线程会优先得到处理(其实就是通过将ReentrantLock设置为true来达到这种公平性的:即等待时间最长的线程会先操作)。通常,公平性会使你在性能上付出代价,只有在的确非常需要的时候再使用它。它是基于数组的阻塞循环队列,此队列按 FIFO(先进先出)原则对元素进行排序。

(3)PriorityBlockingQueue是一个带优先级的队列,而不是先进先出队列。元素按优先级顺序被移除,该队列也没有上限(看了一下源码,PriorityBlockingQueue是对 PriorityQueue的再次包装,是基于堆数据结构的,而PriorityQueue是没有容量限制的,与ArrayList一样,所以在优先阻塞队列上put时是不会受阻的。虽然此队列逻辑上是无界的,但是由于资源被耗尽,所以试图执行添加操作可能会导致OutOfMemoryError),但是如果队列为空,那么取元素的操作take就会阻塞,所以它的检索操作take是受阻的。另外,插入该队列中的元素要具有比较能力。

(4)DelayQueue(基于PriorityQueue来实现的)是一个存放Delayed 元素的无界阻塞队列,只有在延迟期满时才能从中提取元素。该队列的头部是延迟期满后保存时间最长的 Delayed 元素。如果延迟都还没有期满,则队列没有头部,并且poll将返回null。当一个元素的 getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) 方法返回一个小于或等于零的值时,则出现期满,poll就以移除这个元素。此队列不允许使用 null 元素。

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import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class BlockingQueueTest {
/**
* 定义装苹果的篮子
*/
public static class Basket {
// 篮子,能够容纳3个苹果
BlockingQueue<String> basket = new ArrayBlockingQueue<String>(3);

// 生产苹果,放入篮子
public void produce() throws InterruptedException {
// put方法放入一个苹果,若basket满了,等到basket有位置
basket.put("An apple");
}

// 消费苹果,从篮子中取走
public String consume() throws InterruptedException {
// get方法取出一个苹果,若basket为空,等到basket有苹果为止
String apple = basket.take();
return apple;
}

public int getAppleNumber() {
return basket.size();
}
}

// 测试方法
public static void testBasket() {
// 建立一个装苹果的篮子
final Basket basket = new Basket();
// 定义苹果生产者
class Producer implements Runnable {
public void run() {
try {
while (true) {
// 生产苹果
System.out.println("生产者准备生产苹果:" + System.currentTimeMillis());
basket.produce();
System.out.println("生产者生产苹果完毕:" + System.currentTimeMillis());
System.out.println("生产完后有苹果:" + basket.getAppleNumber() + "个");
// 休眠300ms
Thread.sleep(300);
}
} catch (InterruptedException ex) {
}
}
}
// 定义苹果消费者
class Consumer implements Runnable {
public void run() {
try {
while (true) {
// 消费苹果
System.out.println("消费者准备消费苹果:" + System.currentTimeMillis());
basket.consume();
System.out.println("消费者消费苹果完毕:" + System.currentTimeMillis());
System.out.println("消费完后有苹果:" + basket.getAppleNumber() + "个");
// 休眠1000ms
Thread.sleep(1000);
}
} catch (InterruptedException ex) {
}
}
}

ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
Producer producer = new Producer();
Consumer consumer = new Consumer();
service.submit(producer);
service.submit(consumer);
// 程序运行10s后,所有任务停止
try {
Thread.sleep(10000);
} catch (InterruptedException e) {
}
service.shutdownNow();
}

public static void main(String[] args) {
BlockingQueueTest.testBasket();
}
}

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