Java中的阻塞队列（BlockingQueue）详解

一、阻塞队列的基本概念
阻塞队列是一种特殊的队列，它在队列操作的基础上增加了阻塞特性：

• 当队列为空时，从队列获取元素的操作会被阻塞，直到队列中有新元素
• 当队列已满时，向队列添加元素的操作会被阻塞，直到队列有空闲位置

二、阻塞队列的核心方法
阻塞队列提供四组不同的操作方法：

1. 抛出异常的方法

   • add(e)：插入元素，成功返回true，队列已满时抛出IllegalStateException
   • remove()：移除并返回队首元素，队列为空时抛出NoSuchElementException
   • element()：返回队首元素（不移除），队列为空时抛出异常

2. 返回特殊值的方法

   • offer(e)：插入元素，成功返回true，失败返回false
   • poll()：移除并返回队首元素，队列为空时返回null
   • peek()：返回队首元素（不移除），队列为空时返回null

3. 阻塞方法

   • put(e)：插入元素，如果队列已满则阻塞等待
   • take()：移除并返回队首元素，如果队列为空则阻塞等待

4. 超时方法

   • offer(e, timeout, unit)：带超时的插入操作
   • poll(timeout, unit)：带超时的获取操作

三、Java中的主要阻塞队列实现

1. ArrayBlockingQueue

   • 基于数组的有界阻塞队列
   • 内部使用ReentrantLock实现线程安全
   • 可选择公平或非公平的锁策略

   BlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<>(100);
   

2. LinkedBlockingQueue

   • 基于链表的可选有界队列
   • 默认容量为Integer.MAX_VALUE（近似无界）
   • 使用两把锁（putLock和takeLock）提高并发性能

3. PriorityBlockingQueue

   • 支持优先级的无界阻塞队列
   • 元素必须实现Comparable接口或提供Comparator
   • 内部使用堆结构实现优先级排序

4. SynchronousQueue

   • 不存储元素的阻塞队列
   • 每个插入操作必须等待对应的移除操作
   • 适用于直接传递任务的场景

四、阻塞队列的实现原理（以ArrayBlockingQueue为例）

1. 核心数据结构

   final Object[] items;  // 存储元素的数组
   int takeIndex;         // 取元素的位置
   int putIndex;          // 放元素的位置
   int count;             // 元素数量
   

2. 锁和条件变量

   final ReentrantLock lock;          // 主锁
   private final Condition notEmpty;  // 非空条件
   private final Condition notFull;   // 非满条件
   

3. put方法的实现流程

   • 获取锁
   • 检查队列是否已满，如果已满则在notFull条件上等待
   • 将元素放入数组的putIndex位置
   • putIndex循环递增（达到数组末尾时回到开头）
   • 元素计数加1
   • 唤醒在notEmpty条件上等待的消费者线程
   • 释放锁

4. take方法的实现流程

   • 获取锁
   • 检查队列是否为空，如果为空则在notEmpty条件上等待
   • 从takeIndex位置取出元素
   • takeIndex循环递增
   • 元素计数减1
   • 唤醒在notFull条件上等待的生产者线程
   • 释放锁

五、阻塞队列的典型应用场景

1. 生产者-消费者模式

   // 生产者
   class Producer implements Runnable {
       private final BlockingQueue<String> queue;
       public void run() {
           try {
               while (true) {
                   String item = produceItem();
                   queue.put(item);  // 队列满时阻塞
               }
           } catch (InterruptedException e) {
               Thread.currentThread().interrupt();
           }
       }
   }
   
   // 消费者
   class Consumer implements Runnable {
       private final BlockingQueue<String> queue;
       public void run() {
           try {
               while (true) {
                   String item = queue.take();  // 队列空时阻塞
                   consumeItem(item);
               }
           } catch (InterruptedException e) {
               Thread.currentThread().interrupt();
           }
       }
   }
   

2. 线程池任务队列

   • Java线程池使用BlockingQueue作为工作队列
   • 新任务提交时，如果核心线程忙，任务进入阻塞队列
   • 工作线程从队列中获取任务执行

六、阻塞队列的选择策略

1. ArrayBlockingQueue：固定大小，内存使用可控，适合已知容量的场景
2. LinkedBlockingQueue：吞吐量较高，适合生产消费速度差异大的场景
3. PriorityBlockingQueue：需要按优先级处理任务的场景
4. SynchronousQueue：适合直接传递，避免任务排队

阻塞队列通过内置的线程安全机制和阻塞特性，大大简化了多线程编程的复杂度，是Java并发编程中的重要工具。