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

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：

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();
    
        }
    }