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阻塞队列特性

news 2025/8/2 7:02:11

在 Java 并发编程中，阻塞队列（BlockingQueue） 是一种特殊的队列，它支持在队列空时获取元素的线程会阻塞，在队列满时添加元素的线程会阻塞。这种特性使其成为多线程协作的核心组件，尤其适合 “生产者 - 消费者” 模型等场景。

一、阻塞队列的核心特性

线程安全：内部通过锁或 CAS 机制实现线程安全，无需额外同步处理。
阻塞操作：
- 当队列满时，生产者线程调用put()添加元素会被阻塞，直到队列有空闲空间。
- 当队列空时，消费者线程调用take()获取元素会被阻塞，直到队列有元素。
边界特性：部分实现是有界的（如ArrayBlockingQueue），部分是无界的（如LinkedBlockingQueue默认无界）。

二、常见实现类及特点

Java 并发包（java.util.concurrent）提供了多种阻塞队列实现，适用于不同场景：

实现类	特点	适用场景
`ArrayBlockingQueue`	基于数组的有界队列，创建时必须指定容量；内部使用单锁（ReentrantLock）控制读写。	对性能要求较高、需要固定容量的场景
`LinkedBlockingQueue`	基于链表的队列，默认无界（容量为`Integer.MAX_VALUE`），也可指定容量；读写分离锁提高并发。	任务队列（如线程池）、需要动态扩容的场景
`SynchronousQueue`	无缓冲队列，生产者添加元素后必须等待消费者取走（一对一传递），容量为 0。	线程间直接传递数据（如`Executors.newCachedThreadPool`）
`PriorityBlockingQueue`	支持优先级的无界队列（元素需实现`Comparable`），按优先级排序。	需要按优先级处理任务的场景（如任务调度）
`DelayQueue`	元素需实现`Delayed`接口，只有延迟时间到期后才能被获取；无界。

三、核心方法

阻塞队列的方法按功能分为三类（以添加和移除为例）：

操作类型	满队列时行为	空队列时行为	方法示例
阻塞式	阻塞等待	阻塞等待	`put(e)`、`take()`
超时式	超时后返回`false`	超时后返回`null`	`offer(e, timeout, unit)`、`poll(timeout, unit)`
非阻塞式	抛出`IllegalStateException`	返回`null`	`add(e)`、`poll()`

常用核心方法：

put(E e)：添加元素，队列满时阻塞。
take()：获取并移除首元素，队列空时阻塞。
offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)：添加元素，超时未成功则返回false。
poll(long timeout, TimeUnit unit)：获取并移除首元素，超时未成功则返回null。

四、典型使用场景

1. 生产者 - 消费者模型

这是阻塞队列最经典的场景。生产者线程负责生产数据并放入队列，消费者线程负责从队列中取数据处理。阻塞队列作为缓冲区，平衡生产和消费速度，避免线程闲置或过载。

示例：日志收集系统中，生产者线程收集应用日志，消费者线程异步写入磁盘。当日志产生过快时，队列满会阻塞生产者；当日志处理过快时，队列空会阻塞消费者。

2. 线程池任务队列

ThreadPoolExecutor（线程池）的核心参数之一是workQueue（工作队列），用于存储待执行的任务。当核心线程满后，新任务会进入阻塞队列等待；若队列满且未达到最大线程数，则创建新线程。

示例：Executors.newFixedThreadPool(n)底层使用LinkedBlockingQueue作为任务队列，实现任务的缓冲和调度。

3. 消息中间件底层

消息队列（如 RabbitMQ、Kafka）的核心逻辑类似阻塞队列：生产者发送消息到队列，消费者从队列拉取消息。阻塞队列的 “阻塞等待” 特性保证了消息的可靠传递和异步处理。

4. 定时任务调度

DelayQueue可实现定时任务，只有当元素的延迟时间到期后，才能被消费者获取。

示例：缓存系统中，用DelayQueue存储缓存项，消费者线程定期取出过期缓存并清理。

五、使用方式（代码示例）

以 “生产者 - 消费者模型” 为例，使用ArrayBlockingQueue实现：

阻塞队列实现生产者-消费者模型

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;public class BlockingQueueDemo {// 创建容量为3的有界阻塞队列private static final BlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<>(3);public static void main(String[] args) {// 生产者线程：生成1-10的数字并放入队列Thread producer = new Thread(() -> {try {for (int i = 1; i <= 10; i++) {queue.put(i); // 队列满时阻塞System.out.println("生产者放入：" + i + "，当前队列大小：" + queue.size());TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100); // 模拟生产耗时}} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}}, "生产者");// 消费者线程：从队列中取数字并处理Thread consumer = new Thread(() -> {try {for (int i = 1; i <= 10; i++) {int num = queue.take(); // 队列空时阻塞System.out.println("消费者取出：" + num + "，当前队列大小：" + queue.size());TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(300); // 模拟消费耗时（比生产慢）}} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}}, "消费者");producer.start();consumer.start();}
}

运行结果分析：