Java 阻塞队列：7种类型全解析

在 Java 中，阻塞队列（BlockingQueue） 是一种线程安全的队列结构，用于实现生产者-消费者模式。它的核心特性是在队列为空时阻塞消费者线程，在队列满时阻塞生产者线程，从而自动协调线程之间的协作。

阻塞队列的核心特性

1. 线程安全：所有操作（如 put、take）都是线程安全的。
2. 阻塞操作：
   • 队列满时：生产者线程阻塞（等待消费者消费）。
   • 队列空时：消费者线程阻塞（等待生产者生产）。
3. 超时控制：支持带超时时间的操作（如 offer(timeout, unit) 和 poll(timeout, unit)）。
4. 公平策略：部分实现（如 ArrayBlockingQueue）支持公平锁，防止线程饥饿。

Java 中的 7 种阻塞队列

以下是 Java 提供的 7 种阻塞队列及其特点和适用场景：

1. ArrayBlockingQueue（有界队列）

• 特点：
  • 基于数组实现，容量固定（初始化时指定）。
  • 支持公平锁（默认非公平锁）。
• 适用场景：
  • 需要严格限制队列容量的场景（如任务量可控的线程池）。
• 示例代码：

  BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<>(3);
  queue.put("A"); // 队列满时阻塞
  String task = queue.take(); // 队列空时阻塞
  

2. LinkedBlockingQueue（有界/无界队列）

• 特点：
  • 基于链表实现，默认容量为 Integer.MAX_VALUE（可视为无界）。
  • 入队和出队使用独立锁（putLock 和 takeLock），提高并发性能。
• 适用场景：
  • 任务量不可预测的高吞吐量场景（如线程池默认队列）。
• 示例代码：

  BlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<>(100); // 指定容量
  queue.put(1); // 队列满时阻塞
  Integer task = queue.take(); // 队列空时阻塞
  

3. PriorityBlockingQueue（无界优先级队列）

• 特点：
  • 无界队列，基于优先级堆实现。
  • 元素必须实现 Comparable 接口或提供比较器。
• 适用场景：
  • 需要按优先级处理任务（如紧急任务优先）。
• 示例代码：

  BlockingQueue<PriorityTask> queue = new PriorityBlockingQueue<>();
  queue.put(new PriorityTask(1)); // 任务优先级由 compareTo() 决定
  PriorityTask task = queue.take();
  

4. DelayQueue（延迟队列）

• 特点：
  • 无界队列，元素必须实现 Delayed 接口。
  • 只有在延迟时间到达后，任务才能被取出。
• 适用场景：
  • 定时任务（如缓存过期、订单超时）。
• 示例代码：

  DelayQueue<DelayedTask> queue = new DelayQueue<>();
  queue.put(new DelayedTask(5000)); // 5 秒后可用
  DelayedTask task = queue.take(); // 等待任务延迟时间到期
  

5. SynchronousQueue（同步队列）

• 特点：
  • 无容量队列，每个插入操作必须等待一个对应的移除操作。
  • 生产者和消费者直接传递数据。
• 适用场景：
  • 高吞吐量的短任务场景（如 newCachedThreadPool）。
• 示例代码：

  BlockingQueue<String> queue = new SynchronousQueue<>();
  queue.put("X"); // 阻塞直到有消费者调用 take()
  String task = queue.take(); // 阻塞直到有生产者调用 put()
  

6. LinkedTransferQueue（无界队列）

• 特点：
  • 支持“预占模式”（生产者和消费者直接交互）。
  • 高性能的无界队列。
• 适用场景：
  • 需要高效传递任务的场景（如快速响应的系统）。
• 示例代码：

  BlockingQueue<Integer> queue = new LinkedTransferQueue<>();
  queue.put(100); // 直接传递给消费者
  Integer task = queue.take(); // 立即获取任务
  

7. LinkedBlockingDeque（双向阻塞队列）

• 特点：
  • 双端队列，支持从两端插入/移除元素。
  • 可作为有界或无界队列。
• 适用场景：
  • 工作窃取算法（如 ForkJoinPool）。
• 示例代码：

  BlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingDeque<>(100);
  queue.put("A"); // 从尾部插入
  String task = queue.take(); // 从头部移除
  

阻塞队列的核心方法

如何选择阻塞队列？

1. 有界 vs 无界：
   • 有界队列（如 ArrayBlockingQueue）：防止内存溢出，需合理设置容量。
   • 无界队列（如 LinkedBlockingQueue）：可能导致任务堆积，需结合拒绝策略使用。
2. 优先级需求：
   • 使用 PriorityBlockingQueue 实现优先级排序。
3. 延迟任务：
   • 使用 DelayQueue 实现定时或延迟执行。
4. 高性能场景：
   • SynchronousQueue 适合高吞吐量的短任务。
   • LinkedTransferQueue 适合快速传递任务的场景。

示例：使用阻塞队列实现生产者-消费者模型

import java.util.concurrent.*;

public class ProducerConsumerExample {
    public static void main(String[] args) {
        BlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<>(10);

        // 生产者线程
        Thread producer = new Thread(() -> {
            try {
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    String task = "Task-" + i;
                    queue.put(task); // 队列满时阻塞
                    System.out.println("Produced: " + task);
                    Thread.sleep(100);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        });

        // 消费者线程
        Thread consumer = new Thread(() -> {
            try {
                while (true) {
                    String task = queue.take(); // 队列空时阻塞
                    System.out.println("Consumed: " + task);
                    Thread.sleep(200);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        });

        producer.start();
        consumer.start();
    }
}

注意事项

1. 避免内存泄漏：
   • 使用无界队列时，需结合线程池的拒绝策略（如 CallerRunsPolicy）。
2. 公平性：
   • ArrayBlockingQueue 支持公平锁（构造函数传入 true）。
3. 线程中断：
   • 阻塞操作（如 put/take）会响应中断，需捕获 InterruptedException。

通过合理选择阻塞队列类型，可以高效地实现线程间的协作，解决生产者-消费者问题。