Java中的Queue之概述

對技術還是得有敬畏之心，總覺得Queue好像沒啥，其實只是沒有仔細去了解過。

不過自從上次認真地看了線程池的源代碼之後，發現Queue是一個很神奇的集合類。Queue的形式有無界、有界，還有堵塞、非堵塞。初略想想，這個實現可能就不簡單。

一個問題

在線程池中，自定義線程池時，放入什麼樣的隊列可以讓線程數達不到maximumPoolSize？

按照線程池的源碼，線程增長有兩個階段：一個階段是在達到corePoolSize之前，第二個階段是在達到corePoolSize之後並且阻塞隊列已經滿了，纔會繼續增加線程，直到maximumPoolSize。

所以解決方案有如下兩種：

①如果隊列是無界的，那麼將不會到達第二階段的增長，也就無法到達maximumPoolSize；

②還有可以讓corePoolSize在足夠大的值，同時限定堆大小，保證在有限的任務數下，引發內存不足也算是一種解決方案。

在解決方案①的基礎上，我給出了LinkedBlockingQueue這個答案，但是它是一個“有界”的堵塞隊列，只是它的capacity默認是Integer.MAX_VALUE。因爲一開始我得知它是一個無界隊列，因爲未做詳細、深入的瞭解，但是後面我被指正後，引發了我對Queue的思考，因爲不常用，所以瞭解的確不是很多；同時，Queue不僅僅是一個FIFO，還有同步操作在裏面，就是***生產者-消費者***的同步問題的一個解決方案。綜上，這讓我對堵塞隊列產生了強烈的興趣。

概覽

找了一下BlockingQueue大致的實現類，它們的類圖如下。

從中可以看出，它們都繼承自AbstractQueue，並且都實現了BlockingQueue接口，只有LinkedTransferQueue還實現了TransferQueue。加上對Queue的一些操作並不是特別熟悉，比如offer、peek、poll之類，所以從Queue接口開始，逐個瞭解其大致的功能。

Queue

這個接口定義了6個方法，功能分成3個，分別是插入、刪除、獲取隊首元素，每個功能有2種實現，對應如下表中的關係。這兩種實現的區別也很明顯

	Throws exception	Returns special value
Insert	add(e)	offer(e)
Remove	remove()	poll()
Examine	element()	peek()

• add(e) 和 offer(e)：添加失敗時，add拋異常，offer返回false。
• remove() 和 poll() ：沒有元素時，remove拋異常，poll返回null。
• element() 和 peek()：沒有元素時，remove拋異常，peek返回null。

還有一點需要注意，雖然有的Queue的實現（LinkedList）允許插入null值，但是Queue通常不允許插入null值，因爲null對peek、poll來說，是queue中沒有元素。

BlockingQueue

繼承自Queue接口，同時在Queue的基礎上，新增了堵塞插入、堵塞獲取並刪除、可堵塞一定時長的插入、可堵塞一定時長的獲取並刪除。相應關係對應下表。

	Throws exception	Special value	Blocks	Times out
Insert	add(e)	offer(e)	put(e)	offer(e, time, unit)
Remove	remove()	poll()	take()	poll(time, unit)
Examine	element()	peek()	not applicable	not applicable

• put(e) 和 offer(e, time, unit)：put一直堵塞直到空間可用，offer(e, time, unit)只堵塞特定時長。
• take() 和 poll(time, unit)： take一直堵塞直到元素可用，poll(time, unit)只堵塞特定時長。

BlockingQueue設計主要被用來處理***生產者-消費者***問題。還有一點需要注意，BlockingQueue不接受null元素。插入操作***happen-before***讀取、移除。

AbstractQueue

抽象類，繼承自AbstractCollection，並實現了Queue接口，但未給出具體實現，相當於引入Queue相應方法，在自身類中使用，然後靠子類實現Queue的相關方法。

它實現的add、remove、element方法，分別依靠offer、poll、peek，具體如下：

public boolean add(E e) {
    if (offer(e))
        return true;
    else
        throw new IllegalStateException("Queue full");
}

public E remove() {
    E x = poll();
    if (x != null)
        return x;
    else
        throw new NoSuchElementException();
}

public E element() {
    E x = peek();
    if (x != null)
        return x;
    else
        throw new NoSuchElementException();
}

public void clear() {
    while (poll() != null)
        ;
}

正好對應於上面Queue方法的區別。

常見實現類

Java中線程安全的內置隊列如下表所示。隊列的底層一般分成三種：數組、鏈表和堆。其中，堆一般情況下是爲了實現帶有優先級特性的隊列。

隊列	有界性	鎖	數據結構
ArrayBlockingQueue	bounded	加鎖	arraylist
LinkedBlockingQueue	optionally-bounded	加鎖	linkedlist
ConcurrentLinkedQueue	unbounded	無鎖	linkedlist
LinkedTransferQueue	unbounded	無鎖	linkedlist
PriorityBlockingQueue	unbounded	加鎖	heap
DelayQueue	unbounded	加鎖	heap

基於數組線程安全的隊列，比較典型的是ArrayBlockingQueue，它主要通過加鎖的方式來保證線程安全；

基於鏈表的線程安全隊列，分成LinkedBlockingQueue和ConcurrentLinkedQueue兩大類，前者也通過鎖的方式來實現線程安全，而後者以及上面表格中的LinkedTransferQueue都是通過原子變量CAS這種不加鎖的方式來實現的。

通過不加鎖的方式實現的隊列都是無界的（無法保證隊列的長度在確定的範圍內）；而加鎖的方式，可以實現有界隊列。

在穩定性要求特別高的系統中，爲了防止生產者速度過快，導致內存溢出，只能選擇有界隊列；同時，爲了減少Java的垃圾回收對系統性能的影響，會盡量選擇array/heap格式的數據結構。

Reference：

https://tech.meituan.com/2016/11/18/disruptor.html

https://www.cnblogs.com/WangHaiMing/p/8798709.html

https://www.cnblogs.com/stateis0/p/9062076.html