java同步队列有哪些？数据结构-队列详解
java同步队列有哪些？数据结构-队列详解Queue 常用方法，如下图所示：2）Queue 方法说明注：为了让读者更直观地理解，上图为精简版的 Queue 类关系图。本文如无特殊说明，内容都是基于 Java 1.8 版本。1）Queue 分类从上图可以看出 Queue 大体可分为以下三类。
各位志同道合的朋友们大家好，我是一个一直在一线互联网踩坑十余年的编码爱好者，现在将我们的各种经验以及架构实战分享出来，如果大家喜欢，就关注我，一起将技术学深学透，我会每一篇分享结束都会预告下一专题
队列（Queue）：与栈相对的一种数据结构， 集合（Collection）的一个子类。队列允许在一端进行插入操作，而在另一端进行删除操作的线性表，栈的特点是后进先出，而队列的特点是先进先出。队列的用处很大，比如实现消息队列。
Queue 类关系图，如下图所示：
注：为了让读者更直观地理解，上图为精简版的 Queue 类关系图。本文如无特殊说明，内容都是基于 Java 1.8 版本。
队列（Queue）
1）Queue 分类
从上图可以看出 Queue 大体可分为以下三类。
- 双端队列：双端队列（Deque）是 Queue 的子类也是 Queue 的补充类，头部和尾部都支持元素插入和获取。
- 阻塞队列：阻塞队列指的是在元素操作时（添加或删除），如果没有成功，会阻塞等待执行。例如，当添加元素时，如果队列元素已满，队列会阻塞等待直到有空位时再插入。
- 非阻塞队列：非阻塞队列和阻塞队列相反，会直接返回操作的结果，而非阻塞等待。双端队列也属于非阻塞队列。
2）Queue 方法说明
Queue 常用方法，如下图所示：
方法说明：
- add(E)：添加元素到队列尾部，成功返回 true
- offer(E)：添加元素到队列尾部，成功返回 true
- remove()：删除元素，成功返回 true，失败返回 false
- poll()：获取并移除此队列的第一个元素，若队列为空，则返回 null
- peek()：获取但不移除此队列的第一个元素，若队列为空，则返回 null
- element()：获取但不移除此队列的第一个元素，若队列为空，则抛异常
3）Queue 使用实例
Queue<String>linkedList=newLinkedList<>();
linkedList.add("Dog");
linkedList.add("Camel");
linkedList.add("Cat");
while(!linkedList.isEmpty()){
System.out.println(linkedList.poll());
}
程序执行结果：
Dog
Camel
Cat
阻塞队列
1）BlockingQueue
BlockingQueue 在 java.util.concurrent 包下，其他阻塞类都实现自 BlockingQueue 接口，BlockingQueue 提供了线程安全的队列访问方式，当向队列中插入数据时，如果队列已满，线程则会阻塞等待队列中元素被取出后再插入；当从队列中取数据时，如果队列为空，则线程会阻塞等待队列中有新元素再获取。
BlockingQueue 核心方法
插入方法：
- add(E)：添加元素到队列尾部，成功返回 true
- offer(E)：添加元素到队列尾部，成功返回 true
- put(E)：将元素插入到队列的尾部，如果该队列已满，则一直阻塞
删除方法：
- remove(Object)：移除指定元素，成功返回 true，失败返回 false
- poll()： 获取并移除队列的第一个元素，如果队列为空，则返回 null
- take()：获取并移除队列第一个元素，如果没有元素则一直阻塞
检查方法：
- peek()：获取但不移除队列的第一个元素，若队列为空，则返回 null
2）LinkedBlockingQueue
LinkedBlockingQueue 是一个由链表实现的有界阻塞队列，容量默认值为 Integer.MAX_VALUE，也可以自定义容量，建议指定容量大小，默认大小在添加速度大于删除速度情况下有造成内存溢出的风险，LinkedBlockingQueue 是先进先出的方式存储元素。
3）ArrayBlockingQueue
ArrayBlockingQueue 是一个有边界的阻塞队列，它的内部实现是一个数组。它的容量是有限的，我们必须在其初始化的时候指定它的容量大小，容量大小一旦指定就不可改变。
ArrayBlockingQueue 也是先进先出的方式存储数据，ArrayBlockingQueue 内部的阻塞队列是通过重入锁 ReenterLock 和 Condition 条件队列实现的，因此 ArrayBlockingQueue 中的元素存在公平访问与非公平访问的区别，对于公平访问队列，被阻塞的线程可以按照阻塞的先后顺序访问队列，即先阻塞的线程先访问队列。而非公平队列，当队列可用时，阻塞的线程将进入争夺访问资源的竞争中，也就是说谁先抢到谁就执行，没有固定的先后顺序。
示例代码如下：
//默认非公平阻塞队列
ArrayBlockingQueuequeue=newArrayBlockingQueue(6);
//公平阻塞队列
ArrayBlockingQueuequeue2=newArrayBlockingQueue(6 true);
//ArrayBlockingQueue源码展示
publicArrayBlockingQueue(intcapacity){
this(capacity false);
}
publicArrayBlockingQueue(intcapacity booleanfair){
if(capacity<=0)
thrownewIllegalArgumentException();
this.items=newObject[capacity];
lock=newReentrantLock(fair);
notEmpty=lock.newCondition();
notFull=lock.newCondition();
}
4）DelayQueue
DelayQueue 是一个支持延时获取元素的无界阻塞队列，队列中的元素必须实现 Delayed 接口，在创建元素时可以指定延迟时间，只有到达了延迟的时间之后，才能获取到该元素。
实现了 Delayed 接口必须重写两个方法 ，getDelay(TimeUnit) 和 compareTo(Delayed)，如下代码所示：
classDelayElementimplementsDelayed{
@Override
//获取剩余时间
publiclonggetDelay(TimeUnitunit){
//dosomething
}
@Override
//队列里元素的排序依据
publicintcompareTo(Delayedo){
//dosomething
}
}
DelayQueue 使用的完整示例，请参考以下代码：
publicclassDelayTest{
publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException{
DelayQueuedelayQueue=newDelayQueue();
delayQueue.put(newDelayElement(1000));
delayQueue.put(newDelayElement(3000));
delayQueue.put(newDelayElement(5000));
System.out.println("开始时间：" DateFormat.getDateTimeInstance().format(newDate()));
while(!delayQueue.isEmpty()){
System.out.println(delayQueue.take());
}
System.out.println("结束时间：" DateFormat.getDateTimeInstance().format(newDate()));
}
staticclassDelayElementimplementsDelayed{
//延迟截止时间（单面：毫秒）
longdelayTime=System.currentTimeMillis();
publicDelayElement(longdelayTime){
this.delayTime=(this.delayTime delayTime);
}
@Override
//获取剩余时间
publiclonggetDelay(TimeUnitunit){
returnunit.convert(delayTime-System.currentTimeMillis() TimeUnit.MILLISECONDS);
}
@Override
//队列里元素的排序依据
publicintcompareTo(Delayedo){
if(this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS)>o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS)){
return1;
}elseif(this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS)<o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS)){
return-1;
}else{
return0;
}
}
@Override
publicStringtoString(){
returnDateFormat.getDateTimeInstance().format(newDate(delayTime));
}
}
}
程序执行结果：
开始时间：2019-6-13 20:40:38
2019-6-13 20:40:39
2019-6-13 20:40:41
2019-6-13 20:40:43
结束时间：2019-6-13 20:40:43
非阻塞队列
ConcurrentLinkedQueue 是一个基于链接节点的无界线程安全队列，它采用先进先出的规则对节点进行排序，当我们添加一个元素的时候，它会添加到队列的尾部；当我们获取一个元素时，它会返回队列头部的元素。
它的入队和出队操作均利用 CAS（Compare And Set）更新，这样允许多个线程并发执行，并且不会因为加锁而阻塞线程，使得并发性能更好。
ConcurrentLinkedQueue 使用示例：
ConcurrentLinkedQueueconcurrentLinkedQueue=newConcurrentLinkedQueue();
concurrentLinkedQueue.add("Dog");
concurrentLinkedQueue.add("Cat");
while(!concurrentLinkedQueue.isEmpty()){
System.out.println(concurrentLinkedQueue.poll());
}
执行结果：
Dog
Cat
可以看出不管是阻塞队列还是非阻塞队列，使用方法都是类似的，区别是底层的实现方式。
优先级队列
PriorityQueue 一个基于优先级堆的无界优先级队列。优先级队列的元素按照其自然顺序进行排序，或者根据构造队列时提供的 Comparator 进行排序，具体取决于所使用的构造方法。优先级队列不允许使用 null 元素。
PriorityQueue 代码使用示例：
Queue<Integer>priorityQueue=newPriorityQueue(newComparator<Integer>(){
@Override
publicintcompare(Integero1 Integero2){
//非自然排序，数字倒序
returno2-o1;
}
});
priorityQueue.add(3);
priorityQueue.add(1);
priorityQueue.add(2);
while(!priorityQueue.isEmpty()){
Integeri=priorityQueue.poll();
System.out.println(i);
}
程序执行的结果是：
3
2
1
PriorityQueue 注意的点：
- PriorityQueue 是非线程安全的，在多线程情况下可使用 PriorityBlockingQueue 类替代；
- PriorityQueue 不允许插入 null 元素。
相关面试题
1.ArrayBlockingQueue 和 LinkedBlockingQueue 的区别是什么？
答：ArrayBlockingQueue 和 LinkedBlockingQueue 都实现自阻塞队列 BlockingQueue，它们的区别主要体现在以下几个方面：
- ArrayBlockingQueue 使用时必须指定容量值，LinkedBlockingQueue 可以不用指定；
- ArrayBlockingQueue 的最大容量值是使用时指定的，并且指定之后就不允许修改；而 LinkedBlockingQueue 最大的容量为 Integer.MAX_VALUE；
- ArrayBlockingQueue 数据存储容器是采用数组存储的；而 LinkedBlockingQueue 采用的是 Node 节点存储的。
2.LinkedList 中 add() 和 offer() 有什么关系？
答：add() 和 offer() 都是添加元素到队列尾部。offer 方法是基于 add 方法实现的，Offer 的源码如下：
publicbooleanoffer(Ee){
returnadd(e);
}
3.Queue 和 Deque 有什么区别？
答：Queue 属于一般队列，Deque 属于双端队列。一般队列是先进先出，也就是只有先进的才能先出；而双端队列则是两端都能插入和删除元素。
4.LinkedList 属于一般队列还是双端队列？
答：LinkedList 实现了 Deque 属于双端队列，因此拥有 addFirst(E)、addLast(E)、getFirst()、getLast() 等方法。
5.以下说法错误的是？
A：DelayQueue 内部是基于 PriorityQueue 实现的B：PriorityBlockingQueue 不是先进先出的数据存储方式C：LinkedBlockingQueue 默认容量是无限大的D：ArrayBlockingQueue 内部的存储单元是数组，初始化时必须指定队列容量
答：C
题目解析：LinkedBlockingQueue 默认容量是 Integer.MAX_VALUE，并不是无限大的。
6.关于 ArrayBlockingQueue 说法不正确的是？
A：ArrayBlockingQueue 是线程安全的B：ArrayBlockingQueue 元素允许为 nullC：ArrayBlockingQueue 主要应用场景是“生产者-消费者”模型D：ArrayBlockingQueue 必须显示地设置容量
答：B
题目解析：ArrayBlockingQueue 不允许元素为 null，如果添加一个 null 元素，会抛 NullPointerException 异常。
7.以下程序执行的结果是什么？
PriorityQueuepriorityQueue=newPriorityQueue();
priorityQueue.add(null);
System.out.println(priorityQueue.size());
答：程序执行报错，PriorityQueue 不能插入 null。
8.Java 中常见的阻塞队列有哪些？
答：Java 中常见的阻塞队列如下：
- ArrayBlockingQueue，由数组结构组成的有界阻塞队列；
- PriorityBlockingQueue，支持优先级排序的无界阻塞队列；
- SynchronousQueue，是一个不存储元素的阻塞队列，会直接将任务交给消费者，必须等队列中的添加元素被消费后才能继续添加新的元素；
- LinkedBlockingQueue，由链表结构组成的阻塞队列；
- DelayQueue，支持延时获取元素的无界阻塞队列。
9.有界队列和无界队列有哪些区别？
答：有界队列和无界队列的区别如下。
- 有界队列：有固定大小的队列叫做有界队列，比如：new ArrayBlockingQueue(6)，6 就是队列的大小。
- 无界队列：指的是没有设置固定大小的队列，这些队列的特点是可以直接入列，直到溢出。它们并不是真的无界，它们最大值通常为 Integer.MAX_VALUE，只是平常很少能用到这么大的容量（超过 Integer.MAX_VALUE），因此从使用者的体验上，就相当于 “无界”。
10.如何手动实现一个延迟消息队列？
答：说到延迟消息队列，我们应该可以第一时间想到要使用 DelayQueue 延迟队列来解决这个问题。实现思路，消息队列分为生产者和消费者，生产者用于增加消息，消费者用于获取并消费消息，我们只需要生产者把消息放入到 DelayQueue 队列并设置延迟时间，消费者循环使用 take() 阻塞获取消息即可。完整的实现代码如下：
publicclassCustomDelayQueue{
//消息编号
staticAtomicIntegermessageNO=newAtomicInteger(1);
publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException{
DelayQueue<DelayedElement>delayQueue=newDelayQueue<>();
//生产者1
producer(delayQueue "生产者1");
//生产者2
producer(delayQueue "生产者2");
//消费者
consumer(delayQueue);
}
//生产者
privatestaticvoidproducer(DelayQueue<DelayedElement>delayQueue Stringname){
newThread(newRunnable(){
@Override
publicvoidrun(){
while(true){
//产生1~5秒的随机数
longtime=1000L*(newRandom().nextInt(5) 1);
try{
Thread.sleep(time);
}catch(InterruptedExceptione){
e.printStackTrace();
}
//组合消息体
Stringmessage=String.format("%s，消息编号：%s发送时间：%s延迟：%s秒"
name MESSAGENO.getAndIncrement() DateFormat.getDateTimeInstance().format(newDate()) time/1000);
//生产消息
delayQueue.put(newDelayedElement(message time));
}
}
}).start();
}
//消费者
privatestaticvoidconsumer(DelayQueue<DelayedElement>delayQueue){
newThread(newRunnable(){
@Override
publicvoidrun(){
while(true){
DelayedElementelement=null;
try{
//消费消息
element=delayQueue.take();
System.out.println(element);
}catch(InterruptedExceptione){
e.printStackTrace();
}
}
}
}).start();
}
//延迟队列对象
staticclassDelayedElementimplementsDelayed{
//过期时间（单位：毫秒）
longtime=System.currentTimeMillis();
//消息体
Stringmessage;
//参数：delayTime延迟时间（单位毫秒）
publicDelayedElement(Stringmessage longdelayTime){
this.time =delayTime;
this.message=message;
}
@Override
//获取过期时间
publiclonggetDelay(TimeUnitunit){
returnunit.convert(time-System.currentTimeMillis() TimeUnit.MILLISECONDS);
}
@Override
//队列元素排序
publicintcompareTo(Delayedo){
if(this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS)>o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS))
return1;
elseif(this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS)<o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS))
return-1;
else
return0;
}
@Override
publicStringtoString(){
//打印消息
returnmessage "|执行时间：" DateFormat.getDateTimeInstance().format(newDate());
}
}
}
以上程序支持多生产者，执行的结果如下：
生产者1，消息编号：1 发送时间：2019-6-12 20:38:37 延迟：2 秒 |执行时间：2019-6-12 20:38:39
生产者2，消息编号：2 发送时间：2019-6-12 20:38:37 延迟：2 秒 |执行时间：2019-6-12 20:38:39
生产者1，消息编号：3 发送时间：2019-6-12 20:38:41 延迟：4 秒 |执行时间：2019-6-12 20:38:45
生产者1，消息编号：5 发送时间：2019-6-12 20:38:43 延迟：2 秒 |执行时间：2019-6-12 20:38:45
......
总结
队列（Queue）按照是否阻塞可分为：阻塞队列 BlockingQueue 和 非阻塞队列。其中，双端队列 Deque 也属于非阻塞队列，双端队列除了拥有队列的先进先出的方法之外，还拥有自己独有的方法，如 addFirst()、addLast()、getFirst()、getLast() 等，支持首未插入和删除元素。队列中比较常用的两个队列还有 PriorityQueue（优先级队列）和 DelayQueue（延迟队列），可使用延迟队列来实现延迟消息队列，这也是面试中比较常考的问题之一。需要面试朋友对延迟队列一定要做到心中有数，动手写一个消息队列也是非常有必要的。
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