Java中的并发队列指南

1.概述

在本教程中，我们将介绍Java中并发队列的一些主要实现。关于队列的一般介绍，请参考我们的Java 队列接口文章。

2.队列

在多线程的应用中，队列需要处理多个并发的生产者-消费者的情况。正确选择一个并发队列可能是我们的算法取得良好性能的关键。

首先，我们将看到阻塞队列和非阻塞队列的一些重要区别。然后，我们将看一下一些实现和最佳实践。

2.阻塞式与非阻塞式队列

BlockingQueue提供一种简单的线程安全机制。在这个队列中，线程需要等待队列的可用性。生产者在添加元素之前会等待可用的容量，而消费者则会等待，直到队列为空。在这些情况下，非阻塞队列将抛出一个异常或返回一个特殊的值，如null或false。

为了实现这种阻塞机制，BlockingQueue接口在正常的Queue函数之上暴露了两个函数。put和take。这些函数相当于标准Queue中的add和remove。

3.并发的Queen实现

3.1. ArrayBlockingQueue

正如它的名字所示，这个队列在内部使用一个数组。因此，它是个有界队列，意味着它有一个固定的大小。

一个简单的工作队列就是一个用例。这种情况通常是生产者与消费者的比例很低，我们将耗时的任务分给多个工作者。由于这个队列不能无限地增长，如果内存是个问题，大小限制就会成为一个安全阈值。

说到内存，需要注意的是，队列会预先分配阵列。虽然这可能会提高吞吐量，但它也可能会消耗超过必要的内存。例如，一个大容量的队列可能会在很长一段时间内保持空白。

另外，ArrayBlockingQueue对put和take操作都使用一个锁。这确保了条目不会被覆盖，但代价是性能受到影响。

3.2. LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue使用LinkedList变体，其中每个队列项目是一个新的节点。虽然这使得队列原则上是无界的，但它仍然有一个Integer.MAX_VALUE的硬限制。

另一方面，我们可以通过使用构造函数LinkedBlockingQueue(int capacity)来设置队列的大小。

这个队列为put和take操作使用不同的锁。因此，这两个操作可以并行进行，提高了吞吐量。

既然LinkedBlockingQueue可以是有界或无界的，为什么我们要用ArrayBlockingQueue而不是这个呢？LinkedBlockingQueue需要在每次从队列中添加或移除项目时分配和删除节点。由于这个原因，如果队列快速增长和快速收缩，ArrayBlockingQueue可以是一个更好的选择。

据说LinkedBlockingQueue的性能是不可预测的。换句话说，我们总是需要对我们的场景进行剖析，以确保我们使用正确的数据结构。

3.3. PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是我们的首选解决方案当我们需要按特定顺序消费项目时。为了实现这一点，PriorityBlockingQueue使用了一个基于数组的二进制堆。

虽然在内部它使用一个单一的锁机制，但取的操作可以与put操作同时发生。使用一个简单的自旋锁使这成为可能。

一个典型的用例是消耗具有不同优先级的任务。我们不希望一个低优先级的任务取代一个高优先级的任务。

3.4 DelayQueue

我们使用一个延迟队列，当一个消费者只能拿一个过期的物品时。有趣的是，它在内部使用了一个PriorityQueue来按过期的项目排序。

由于这不是一个通用的队列，它不能像ArrayBlockingQueue或LinkedBlockingQueue那样涵盖很多场景。例如，我们可以使用这个队列来实现一个类似于NodeJS中的简单事件循环。我们将异步任务放在队列中，以便在它们过期后进行处理。

3.5. LinkedTransferQueue

LinkedTransferQueue引入了一个transfer方法。当其他队列在生产或消费项目时通常会阻塞，而LinkedTransferQueue允许生产者等待项目的消费。

当我们需要保证我们放在队列中的某个项目已经被别人拿走时，我们会使用LinkedTransferQueue。另外，我们可以使用这个队列实现一个简单的反压算法。事实上，通过阻断生产者直到消费，消费者可以驱动生产的消息流。

3.6. SynchronousQueue

虽然队列通常包含许多项目，但SynchronousQueue总会有，最多就是一个项目。换句话说，我们需要把SynchronousQueue看作是在两个线程之间交换一些数据的简单方法。

当我们有两个线程需要访问一个共享状态时，我们经常用CountDownLatch或其他同步机制来同步这些线程。通过使用SynchronousQueue，我们可以避免这种线程的手动同步。

3.7. ConcurrentLinkedQueue

ConcurrentLinkedQueue是本指南的唯一非阻塞队列。因此，它提供了一个“无等待”算法，其中add和poll被保证是线程安全的，并立即返回。这个队列使用CAS（Compare-And-Swap）来代替锁。

在内部，它基于Maged M. Michael和Michael L. Scott的Simple, Fast, and Practical Non-Blocking and Blocking Concurrent Queue Algorithms中的一种算法。

它是现代反应式系统的完美候选者，在这些系统中，使用阻塞数据结构往往是被禁止的。

另一方面，如果我们的消费者最终要在一个循环中等待，我们也许应该选择一个阻塞队列作为更好的选择。

4.总结

在本指南中，我们走过了不同的并发队列实现，讨论了它们的优势和劣势。考虑到这一点，我们就能更好地开发高效、持久、可用的系统。