Java 并发编程：解析多种队列类型的用途 Queue Nice !!!

2023-10-06 07:56:39 浏览数 (1)

前言

Java 中的队列有很多，例如：ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、PriorityQueue、DelayQueue、SynchronousQueue 等，那它们的作用是什么？又是如何分类的呢？

其实 Java 中的这些队列可以从不同的维度进行分类，例如可以从阻塞和非阻塞进行分类，也可以从有界和无界进行分类，而本文将从队列的功能上进行分类，例如：优先队列、普通队列、双端队列、延迟队列等。

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虽然本文的重点是从功能上对队列进行解读，但其它分类也是 Java 中的重要概念，所以我们先来了解一下它们。

阻塞队列和非阻塞队列

阻塞队列（Blocking Queue）提供了可阻塞的 put 和 take 方法，它们与可定时的 offer 和 poll 是等价的。如果队列满了 put 方法会被阻塞等到有空间可用再将元素插入；如果队列是空的，那么 take 方法也会阻塞，直到有元素可用。当队列永远不会被充满时，put 方法和 take 方法就永远不会阻塞。

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我们可以从队列的名称中知道此队列是否为阻塞队列，阻塞队列中包含 BlockingQueue 关键字，比如以下这些：

  • ArrayBlockingQueue
  • LinkedBlockingQueue
  • PriorityBlockingQueue
  • .......

阻塞队列功能演示

接下来我们来演示一下当阻塞队列的容量满了之后会怎样，示例代码如下：

代码语言：java复制
public class BlockingTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 创建一个长度为 5 的阻塞队列
        ArrayBlockingQueue q1 = new ArrayBlockingQueue(5);
        // 新创建一个线程执行入列
        new Thread(() -> {
            // 循环 10 次
            for (int i = 0; i < 10; i  ) {
                try {
                    q1.put(i);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(new Date()   " | ArrayBlockingQueue Size:"   q1.size());
            }
            System.out.println(new Date()   " | For End.");
        }).start();

        // 新创建一个线程执行出列
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5; i  ) {
                try {
                    // 休眠 1S
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                if (!q1.isEmpty()) {
                    try {
                        q1.take(); // 出列
                        System.out.println("出列");
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }).start();
    }
}

以上代码的执行结果如下：

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从上述结果可以看出，当 ArrayBlockingQueue 队列满了之后就会进入阻塞，当过了 1 秒有元素从队列中移除之后，才会将新的元素入列。

非阻塞队列

非阻塞队列也就是普通队列，它的名字中不会包含 BlockingQueue 关键字，并且它不会包含 put 和 take 方法，当队列满之后如果还有新元素入列会直接返回错误，并不会阻塞的等待着添加元素，如下图所示：

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非阻塞队列的典型代表是 ConcurrentLinkedQueue 和 PriorityQueue。

有界队列和无界队列

有界队列：是指有固定大小的队列，比如设定了固定大小的 ArrayBlockingQueue，又或者大小为 0 的 SynchronousQueue。

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无界队列：指的是没有设置固定大小的队列，但其实如果没有设置固定大小也是有默认值的，只不过默认值是 Integer.MAX_VALUE，当然实际的使用中不会有这么大的容量（超过 Integer.MAX_VALUE），所以从使用者的角度来看相当于 “无界”的。

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按功能分类

接下来就是本文的重点了，我们以功能来划分一下队列，它可以被分为：普通队列、优先队列、双端队列、延迟队列、其他队列等，接下来我们分别来看。

1.普通队列

普通队列（Queue）是指实现了先进先出的基本队列，例如 ArrayBlockingQueue 和 LinkedBlockingQueue，其中 ArrayBlockingQueue 是用数组实现的普通队列，如下图所示：

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而 LinkedBlockingQueue 是使用链表实现的普通队列，如下图所示：

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常用方法

普通队列中的常用方法有以下这些：

  • offer()：添加元素，如果队列已满直接返回 false，队列未满则直接插入并返回 true；
  • poll()：删除并返回队头元素，当队列为空返回 null；
  • add()：添加元素，此方法是对 offer 方法的简单封装，如果队列已满，抛出 IllegalStateException 异常；
  • remove()：直接删除队头元素；
  • put()：添加元素，如果队列已经满，则会阻塞等待插入；
  • take()：删除并返回队头元素，当队列为空，则会阻塞等待；
  • peek()：查询队头元素，但不会进行删除；
  • element()：对 peek 方法进行简单封装，如果队头元素存在则取出并不删除，如果不存在抛出 NoSuchElementException 异常。

注意：一般情况下 offer() 和 poll() 方法配合使用，put() 和 take() 阻塞方法配合使用，add() 和 remove() 方法会配合使用，程序中常用的是 offer() 和 poll() 方法，因此这两个方法比较友好，不会报错。

接下来我们以 LinkedBlockingQueue 为例，演示一下普通队列的使用：

代码语言：java复制
public class LinkedBlockingQueueTest {
    public static void main(String[] args) {
        LinkedBlockingQueue queue = new LinkedBlockingQueue();
        queue.offer("Hello");
        queue.offer("Java");
        queue.offer("Myxq");
        while (!queue.isEmpty()) {
            System.out.println(queue.poll());
        }
    }
}
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2.双端队列

双端队列（Deque）是指队列的头部和尾部都可以同时入队和出队的数据结构，如下图所示：

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接下来我们来演示一下双端队列 LinkedBlockingDeque 的使用：

代码语言：java复制
public class LinkedBlockingDequeTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个双端队列
        LinkedBlockingDeque deque = new LinkedBlockingDeque();
        deque.offer("offer"); // 插入首个元素
        deque.offerFirst("offerFirst"); // 队头插入元素
        deque.offerLast("offerLast"); // 队尾插入元素
        while (!deque.isEmpty()) {
            // 从头遍历打印
            System.out.println(deque.poll());
        }
    }
}

以上代码的执行结果如下：

image.pngimage.png

3.优先队列

优先队列（PriorityQueue）是一种特殊的队列，它并不是先进先出的，而是优先级高的元素先出队。

优先队列是根据二叉堆实现的，二叉堆的数据结构如下图所示：

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二叉堆分为两种类型：一种是最大堆一种是最小堆。以上展示的是最大堆，在最大堆中，任意一个父节点的值都大于等于它左右子节点的值。

因为优先队列是基于二叉堆实现的，因此它可以将优先级最好的元素先出队。

接下来我们来演示一下优先队列的使用：

代码语言：java复制
public class PriorityQueueTest {

        // 自定义的实体类
        static class Viper {
            private int id; // id
            private String name; // 名称
            private int level; // 等级

            public Viper(int id, String name, int level) {
                this.id = id;
                this.name = name;
                this.level = level;
            }

            public int getId() {
                return id;
            }

            public void setId(int id) {
                this.id = id;
            }

            public String getName() {
                return name;
            }

            public void setName(String name) {
                this.name = name;
            }

            public int getLevel() {
                return level;
            }

            public void setLevel(int level) {
                this.level = level;
            }
        }
        //优先队列的出队是不考虑入队顺序的，它始终遵循的是优先级高的元素先出队。
        public static void main(String[] args) {
            PriorityQueue queue = new PriorityQueue(10, new Comparator<Viper>() {
                @Override
                public int compare(Viper v1, Viper v2) {
                    // 设置优先级规则（倒序，等级越高权限越大）
                    return v2.getLevel() - v1.getLevel();
                }
            });
            // 构建实体类
            Viper v1 = new Viper(1, "张三", 1);
            Viper v2 = new Viper(2, "李四", 5);
            Viper v3 = new Viper(3, "王五", 3);
            // 入列
            queue.offer(v1);
            queue.offer(v2);
            queue.offer(v3);
            while (!queue.isEmpty()) {
                // 遍历名称
                Viper item = (Viper) queue.poll();
                System.out.println("Name："   item.getName()  
                        " Level："   item.getLevel());
            }
        }
}

以上代码的执行结果如下：

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从上述结果可以看出，优先队列的出队是不考虑入队顺序的，它始终遵循的是优先级高的元素先出队。

4.延迟队列

延迟队列（DelayQueue）是基于优先队列 PriorityQueue 实现的，它可以看作是一种以时间为度量单位的优先的队列，当入队的元素到达指定的延迟时间之后方可出队。

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我们来演示一下延迟队列的使用：

代码语言：java复制
public class CustomDelayQueue {
    // 延迟消息队列
    private static DelayQueue delayQueue = new DelayQueue();

    static class MyDelay implements Delayed {
        // 延迟截止时间（单位：毫秒）
        long delayTime = System.currentTimeMillis();

        private String msg;
        public String getMsg() {
            return msg;
        }
        public void setMsg(String msg) {
            this.msg = msg;
        }
        /**
         * 初始化
         * @param delayTime 设置延迟执行时间
         * @param msg       执行的消息
         */
        public MyDelay(long delayTime, String msg) {
            this.delayTime = (this.delayTime   delayTime);
            this.msg = msg;
        }

        // 获取剩余时间
        @Override
        public long getDelay(TimeUnit unit) {
            return unit.convert(delayTime - System.currentTimeMillis(), TimeUnit.MILLISECONDS);
        }

        // 队列里元素的排序依据
        @Override
        public int compareTo(Delayed o) {
            if (this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS) > o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                return 1;
            } else if (this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS) < o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                return -1;
            } else {
                return 0;
            }
        }
        @Override
        public String toString() {
            return this.msg;
        }
    }
    // 生产者
    public static void producer() {
        // 添加消息
        delayQueue.put(new MyDelay(1000, "消息1"));
        delayQueue.put(new MyDelay(3000, "消息2"));
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        producer(); // 调用生产者
        consumer(); // 调用消费者
    }



    // 消费者
    public static void consumer() throws InterruptedException {
        System.out.println("开始执行时间："  
                DateFormat.getDateTimeInstance().format(new Date()));
        while (!delayQueue.isEmpty()) {
            System.out.println(delayQueue.take());
        }
        System.out.println("结束执行时间："  
                DateFormat.getDateTimeInstance().format(new Date()));
    }



}

以上代码的执行结果如下：

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从上述结束执行时间和开始执行时间可以看出，消息 1 和消息 2 都正常实现了延迟执行的功能。

5.其他队列

在 Java 的队列中有一个比较特殊的队列 SynchronousQueue，它的特别之处在于它内部没有容器，每次进行 put() 数据后（添加数据），必须等待另一个线程拿走数据后才可以再次添加数据，它的使用示例如下：

代码语言：java复制
public class SynchronousQueueTest {
    public static void main(String[] args) {
        SynchronousQueue queue = new SynchronousQueue();
        // 入队
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 3; i  ) {
                try {
                    System.out.println(DateFormat.getDateTimeInstance().format(new Date()) " Data "   i "元素入队");
                    queue.put("Data "   i);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

            }
        }).start();
        // 出队
        new Thread(() -> {
            while (true) {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                    System.out.println(DateFormat.getDateTimeInstance().format(new Date()) " "  queue.take() "元素出队");

                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
    }
}

以上代码的执行结果如下：

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从上述结果可以看出，当有一个元素入队之后，只有等到另一个线程将元素出队之后，新的元素才能再次入队。

总结

本文讲了 Java 中的 5 种队列：普通队列、双端队列、优先队列、延迟队列、其他队列。其中普通队列的典型代表为 ArrayBlockingQueue 和 LinkedBlockingQueue，

双端队列的代表为 LinkedBlockingDeque，

优先队列的代表为 PriorityQueue，

延迟队列的代表为 DelayQueue，

内部没有容器的其他队列 SynchronousQueue。

最后

本期结束咱们下次再见

2023腾讯·技术创作特训营第二期

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