在上一讲中，我分析了 Java 并发包中的部分内容，今天我来介绍一下线程安全队列。Java 标准库提供了非常多的线程安全队列，很容易混淆。 今天我要问你的问题是，并发包中的 ConcurrentLinkedQueue 和 LinkedBlockingQueue 有什么区别？ ## 典型回答 有时候我们把并发包下面的所有容器都习惯叫作并发容器，但是严格来讲，类似 ConcurrentLinkedQueue 这种“Concurrent\*”容器，才是真正代表并发。 关于问题中它们的区别： * Concurrent 类型基于 lock-free，在常见的多线程访问场景，一般可以提供较高吞吐量。 * 而 LinkedBlockingQueue 内部则是基于锁，并提供了 BlockingQueue 的等待性方法。 不知道你有没有注意到，java.util.concurrent 包提供的容器（Queue、List、Set）、Map，从命名上可以大概区分为 Concurrent\*、CopyOnWrite*和 Blocking*等三类，同样是线程安全容器，可以简单认为： * Concurrent 类型没有类似 CopyOnWrite 之类容器相对较重的修改开销。 * 但是，凡事都是有代价的，Concurrent 往往提供了较低的遍历一致性。你可以这样理解所谓的弱一致性，例如，当利用迭代器遍历时，如果容器发生修改，迭代器仍然可以继续进行遍历。 * 与弱一致性对应的，就是我介绍过的同步容器常见的行为“fail-fast”，也就是检测到容器在遍历过程中发生了修改，则抛出 ConcurrentModificationException，不再继续遍历。 * 弱一致性的另外一个体现是，size 等操作准确性是有限的，未必是 100% 准确。 * 与此同时，读取的性能具有一定的不确定性。 ## 考点分析 今天的问题是又是一个引子，考察你是否了解并发包内部不同容器实现的设计目的和实现区别。 队列是非常重要的数据结构，我们日常开发中很多线程间数据传递都要依赖于它，Executor 框架提供的各种线程池，同样无法离开队列。面试官可以从不同角度考察，比如： * 哪些队列是有界的，哪些是无界的？（很多同学反馈了这个问题） * 针对特定场景需求，如何选择合适的队列实现？ * 从源码的角度，常见的线程安全队列是如何实现的，并进行了哪些改进以提高性能表现？ 为了能更好地理解这一讲，需要你掌握一些基本的队列本身和数据结构方面知识，如果这方面知识比较薄弱，《数据结构与算法分析》是一本比较全面的参考书，专栏还是尽量专注于 Java 领域的特性。 ## 知识扩展 **线程安全队列一览** 我在[专栏第 8 讲](http://time.geekbang.org/column/article/7810)中介绍过，常见的集合中如 LinkedList 是个 Deque，只不过不是线程安全的。下面这张图是 Java 并发类库提供的各种各样的**线程安全**队列实现，注意，图中并未将非线程安全部分包含进来。  我们可以从不同的角度进行分类，从基本的数据结构的角度分析，有两个特别的[Deque](https://docs.oracle.com/javase/9/docs/api/java/util/Deque.html)实现，ConcurrentLinkedDeque 和 LinkedBlockingDeque。Deque 的侧重点是支持对队列头尾都进行插入和删除，所以提供了特定的方法，如: * 尾部插入时需要的[addLast(e)](https://docs.oracle.com/javase/9/docs/api/java/util/Deque.html#addLast-E-)、[offerLast(e)](https://docs.oracle.com/javase/9/docs/api/java/util/Deque.html#offerLast-E-)。 * 尾部删除所需要的[removeLast()](https://docs.oracle.com/javase/9/docs/api/java/util/Deque.html#removeLast--)、[pollLast()](https://docs.oracle.com/javase/9/docs/api/java/util/Deque.html#pollLast--)。 从上面这些角度，能够理解 ConcurrentLinkedDeque 和 LinkedBlockingQueue 的主要功能区别，也就足够日常开发的需要了。但是如果我们深入一些，通常会更加关注下面这些方面。 从行为特征来看，绝大部分 Queue 都是实现了 BlockingQueue 接口。在常规队列操作基础上，Blocking 意味着其提供了特定的等待性操作，获取时（take）等待元素进队，或者插入时（put）等待队列出现空位。 ~~~ /** * 获取并移除队列头结点，如果必要，其会等待直到队列出现元素 … */ E take() throws InterruptedException; /** * 插入元素，如果队列已满，则等待直到队列出现空闲空间 … */ void put(E e) throws InterruptedException; ~~~ 另一个 BlockingQueue 经常被考察的点，就是是否有界（Bounded、Unbounded），这一点也往往会影响我们在应用开发中的选择，我这里简单总结一下。 * ArrayBlockingQueue 是最典型的的有界队列，其内部以 final 的数组保存数据，数组的大小就决定了队列的边界，所以我们在创建 ArrayBlockingQueue 时，都要指定容量，如 ~~~ public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) ~~~ * LinkedBlockingQueue，容易被误解为无边界，但其实其行为和内部代码都是基于有界的逻辑实现的，只不过如果我们没有在创建队列时就指定容量，那么其容量限制就自动被设置为 Integer.MAX\_VALUE，成为了无界队列。 * SynchronousQueue，这是一个非常奇葩的队列实现，每个删除操作都要等待插入操作，反之每个插入操作也都要等待删除动作。那么这个队列的容量是多少呢？是 1 吗？其实不是的，其内部容量是 0。 * PriorityBlockingQueue 是无边界的优先队列，虽然严格意义上来讲，其大小总归是要受系统资源影响。 * DelayedQueue 和 LinkedTransferQueue 同样是无边界的队列。对于无边界的队列，有一个自然的结果，就是 put 操作永远也不会发生其他 BlockingQueue 的那种等待情况。 如果我们分析不同队列的底层实现，BlockingQueue 基本都是基于锁实现，一起来看看典型的 LinkedBlockingQueue。 ~~~ /** Lock held by take, poll, etc */ private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock(); /** Wait queue for waiting takes */ private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition(); /** Lock held by put, offer, etc */ private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock(); /** Wait queue for waiting puts */ private final Condition notFull = putLock.newCondition(); ~~~ 我在介绍 ReentrantLock 的条件变量用法的时候分析过 ArrayBlockingQueue，不知道你有没有注意到，其条件变量与 LinkedBlockingQueue 版本的实现是有区别的。notEmpty、notFull 都是同一个再入锁的条件变量，而 LinkedBlockingQueue 则改进了锁操作的粒度，头、尾操作使用不同的锁，所以在通用场景下，它的吞吐量相对要更好一些。 下面的 take 方法与 ArrayBlockingQueue 中的实现，也是有不同的，由于其内部结构是链表，需要自己维护元素数量值，请参考下面的代码。 ~~~ public E take() throws InterruptedException { final E x; final int c; final AtomicInteger count = this.count; final ReentrantLock takeLock = this.takeLock; takeLock.lockInterruptibly(); try { while (count.get() == 0) { notEmpty.await(); } x = dequeue(); c = count.getAndDecrement(); if (c > 1) notEmpty.signal(); } finally { takeLock.unlock(); } if (c == capacity) signalNotFull(); return x; } ~~~ 类似 ConcurrentLinkedQueue 等，则是基于 CAS 的无锁技术，不需要在每个操作时使用锁，所以扩展性表现要更加优异。 相对比较另类的 SynchronousQueue，在 Java 6 中，其实现发生了非常大的变化，利用 CAS 替换掉了原本基于锁的逻辑，同步开销比较小。它是 Executors.newCachedThreadPool() 的默认队列。 **队列使用场景与典型用例** 在实际开发中，我提到过 Queue 被广泛使用在生产者 - 消费者场景，比如利用 BlockingQueue 来实现，由于其提供的等待机制，我们可以少操心很多协调工作，你可以参考下面样例代码： ~~~ import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue; import java.util.concurrent.BlockingQueue; public class ConsumerProducer { public static final String EXIT_MSG = "Good bye!"; public static void main(String[] args) { // 使用较小的队列，以更好地在输出中展示其影响 BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<>(3); Producer producer = new Producer(queue); Consumer consumer = new Consumer(queue); new Thread(producer).start(); new Thread(consumer).start(); } static class Producer implements Runnable { private BlockingQueue<String> queue; public Producer(BlockingQueue<String> q) { this.queue = q; } @Override public void run() { for (int i = 0; i < 20; i++) { try{ Thread.sleep(5L); String msg = "Message" + i; System.out.println("Produced new item: " + msg); queue.put(msg); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } try { System.out.println("Time to say good bye!"); queue.put(EXIT_MSG); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } static class Consumer implements Runnable{ private BlockingQueue<String> queue; public Consumer(BlockingQueue<String> q){ this.queue=q; } @Override public void run() { try{ String msg; while(!EXIT_MSG.equalsIgnoreCase( (msg = queue.take()))){ System.out.println("Consumed item: " + msg); Thread.sleep(10L); } System.out.println("Got exit message, bye!"); }catch(InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } } ~~~ 上面是一个典型的生产者 - 消费者样例，如果使用非 Blocking 的队列，那么我们就要自己去实现轮询、条件判断（如检查 poll 返回值是否 null）等逻辑，如果没有特别的场景要求，Blocking 实现起来代码更加简单、直观。 前面介绍了各种队列实现，在日常的应用开发中，如何进行选择呢？ 以 LinkedBlockingQueue、ArrayBlockingQueue 和 SynchronousQueue 为例，我们一起来分析一下，根据需求可以从很多方面考量： * 考虑应用场景中对队列边界的要求。ArrayBlockingQueue 是有明确的容量限制的，而 LinkedBlockingQueue 则取决于我们是否在创建时指定，SynchronousQueue 则干脆不能缓存任何元素。 * 从空间利用角度，数组结构的 ArrayBlockingQueue 要比 LinkedBlockingQueue 紧凑，因为其不需要创建所谓节点，但是其初始分配阶段就需要一段连续的空间，所以初始内存需求更大。 * 通用场景中，LinkedBlockingQueue 的吞吐量一般优于 ArrayBlockingQueue，因为它实现了更加细粒度的锁操作。 * ArrayBlockingQueue 实现比较简单，性能更好预测，属于表现稳定的“选手”。 * 如果我们需要实现的是两个线程之间接力性（handoff）的场景，按照[专栏上一讲](http://time.geekbang.org/column/article/9373)的例子，你可能会选择 CountDownLatch，但是[SynchronousQueue](http://www.baeldung.com/java-synchronous-queue)也是完美符合这种场景的，而且线程间协调和数据传输统一起来，代码更加规范。 * 可能令人意外的是，很多时候 SynchronousQueue 的性能表现，往往大大超过其他实现，尤其是在队列元素较小的场景。 今天我分析了 Java 中让人眼花缭乱的各种线程安全队列，试图从几个角度，让每个队列的特点更加明确，进而希望减少你在日常工作中使用时的困扰。 ## 一课一练 关于今天我们讨论的题目你做到心中有数了吗？ 今天的内容侧重于 Java 自身的角度，面试官也可能从算法的角度来考察，所以今天留给你的思考题是，指定某种结构，比如栈，用它实现一个 BlockingQueue，实现思路是怎样的呢？