高并发场景中的Queue集合

概述

JUC中提供了大量的Queue/Deque集合，用于满足程序员在多种高并发场景中的数据管理和数据通信需求，常用的Queue/Deque集合如图9-1所示（后面多处使用队列称呼Queue/Deque集合，实际上只是从不同的维度称呼同样的事物）。

前面已经介绍了队列的基本工作特点：从队列的头部取出数据对象，并且在队列的尾部添加数据对象，也就是说，先进入队列的数据对象会先从队列中取出（先进先出，FIFO）。此外，图9-1中的队列都有一些自身的工作特点。

• ArrayBlockingQueue：这是一种内部基于数组的，在高并发场景中使用的阻塞队列，是一种有界队列。该队列的一个显著工作特点是，存储在队列中的数据对象数量有一个最大值。

• LinkedBlockingQueue：这是一种内部基于链表的，在高并发场景中使用的阻塞队列，是一种无界队列。该队列最显著的工作特点是它的内部结构是一个链表，这保证了它可以在有界队列和无界队列之间非常方便地进行转换。

• LinkedTransferQueue：这是一种内部基于链表的，可以在高并发场景中使用的阻塞队列，是一种无界队列。可以将它看成LinkedBlockingQueue队列和ConcurrentLinkedQueue队列优点的结合体，既能关注集合的读/写操作性能，又能维持队列的工作特性。在实际应用中，经常使用该队列进行线程间的消息同步操作。

• PriorityBlockingQueue：这是一种内部基于数组的，采用小顶堆结构的，可以在高并发场景中使用的阻塞队列，是一种无界队列。该队列最显著的工作特点是，队列中的数据对象按照小顶堆结构进行排序，从而保证从该队列中取出的数据对象是权值最小的数据对象。

• DelayQueue：这是一种内部依赖PriorityQueue的，采用小顶堆结构的，可以在高并发场景中使用的阻塞队列，是一种无界队列。该队列的一个显著工作特点是，队列中的数据对象除了会按照小顶堆结构进行排序外，这些数据对象还会通过实现java.util.concurrent.Delayed接口定义一个延迟时间，只有当延迟时间最小的数据对象的值都小于或等于0时（延迟时间会作为节点的权重值参与排序），该数据对象才会被外部调用者获得。

什么是有界队列，什么是无界队列• 有界队列：队列容量有一个固定大小的上限，一旦队列中的数据对象总量达到容量上限时，队列就会对添加操作进行容错性处理。例如，返回false，证明操作失败；抛出运行时异常；进入阻塞状态，直到操作条件满足要求。也就是说，不再允许立即添加数据对象了。

• 无界队列：队列容量没有一个固定大小的上限，或者容量上限值是一个很大的理论上限值（如常量Integer.MAX_VALUE的最大值为2 147 483647）。由于这种队列理论上没有容量上限，因此理论上调用者可以将任意数量的数据对象添加到集合中，而不会使添加操作出现容量异常。

无界队列是不是真的无界呢？显然不是的，根据上面的描述可知，一部分 无 界 队 列 是 可 以 在 进 行 实 例 化 时 设 置 其 队 列 容 量 上 限 的 。例 如 ，LinkedBlockingQueue队列默认的容量值是Integer.MAX_VALUE（相当于无界），但是我们也可以将LinkedBlockingQueue队列的容量值设置为一个特定的值。

此外，无界队列不能保证其容量无限大的另一个原因是JVM可管理的堆内存是有上限的，当超过堆内存容量且JVM无法再申请新的内存空间时，应用程序会抛出OutofMemoryError异常。

什么是阻塞队列，什么是非阻塞队列

我们知道，Queue接口是BlockingQueue接口的父级接口，前者定义了一些与队列有关的接口，后者在此基础上补充了一些接口功能，Queue接口的主要方法如下。

根据上述源码可知，java.util.Queue接口中主要定义了6个方法，这6个方法可以分为两类：一类是在操作时如果Queue集合的状态不符合要求，就会抛出异常的；另一类是在操作时如果集合的状态不符合要求，则尽可能不抛出异常的——通过返回一些特定的值进行替换。这6个方法的详细分类如表9-1所示。

这里要特别说明的情况是，由于这些方法的操作场景相似，只对异常抛出的要求或对返回值的要求做出了描述，因此在实现了BlockingQueue接口的具体集合中，通常可以看到这些方法间存在相互调用的情况。例如，在无界队列中，经常可以看到队列的add()方法直接调用了队列的offer()方法。在有界队列中，通常会对offer()方法返回false的情况进行抛出异常处理。例如，本书后面将要详细介绍的有界队列ArrayBlockingQueue，其内部的add()方法就对调用offer()方法返回值进行了特别判定，源码如下。

作为Queue接口的子级接口，BlockingQueue接口在Queue接口功能的基础上又提出了多个新的功能，源码如下。

可以发现以上方法的共同特点：在调用方法时，如果出于一些客观原因无法立即完成工作，那么调用方法的线程会进入阻塞状态，直到满足某种条件，才会退出阻塞状态（能够成功完成操作，或者达到阻塞最长等待时间，或者当前线程收到interrupt中断信号）。

在高并发场景中，Queue/Deque集合除了可以充当多线程间数据操作的载体，还可以主导线程间的数据协作工作。要完成数据传输的主导工作，这种集合就一定有对应的功能。因此，我们可以给阻塞队列一个通俗的描述，即阻塞队列是实现了j.u.c.BlockingQueue接口的队列，并且其能够提供这样一组方法功能：当调用者通过这组方法对队列进行读/写操作，发现不满足操作条件时，参与者所在线程会进入阻塞状态，直到满足某种条件，才会退出阻塞状态继续工作。