在 Java 中，阻塞隊列（BlockingQueue） 是一種線程安全的隊列結構，用于實現(xiàn)生產者-消費者模式。它的核心特性是在隊列為空時阻塞消費者線程，在隊列滿時阻塞生產者線程，從而自動協(xié)調線程之間的協(xié)作。

阻塞隊列的核心特性

1. 線程安全：所有操作（如 put、take）都是線程安全的。
2. 阻塞操作：
   • 隊列滿時：生產者線程阻塞（等待消費者消費）。
   • 隊列空時：消費者線程阻塞（等待生產者生產）。
3. 超時控制：支持帶超時時間的操作（如 offer(timeout, unit) 和 poll(timeout, unit)）。
4. 公平策略：部分實現(xiàn)（如 ArrayBlockingQueue）支持公平鎖，防止線程饑餓。

Java 中的 7 種阻塞隊列

以下是 Java 提供的 7 種阻塞隊列及其特點和適用場景：

1. ArrayBlockingQueue（有界隊列）

• 特點：
  • 基于數(shù)組實現(xiàn)，容量固定（初始化時指定）。
  • 支持公平鎖（默認非公平鎖）。
• 適用場景：
  • 需要嚴格限制隊列容量的場景（如任務量可控的線程池）。
• 示例代碼：

  BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<>(3);
  queue.put("A"); // 隊列滿時阻塞
  String task = queue.take(); // 隊列空時阻塞
  

2. LinkedBlockingQueue（有界/無界隊列）

• 特點：
  • 基于鏈表實現(xiàn)，默認容量為 Integer.MAX_VALUE（可視為無界）。
  • 入隊和出隊使用獨立鎖（putLock 和 takeLock），提高并發(fā)性能。
• 適用場景：
  • 任務量不可預測的高吞吐量場景（如線程池默認隊列）。
• 示例代碼：

  BlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<>(100); // 指定容量
  queue.put(1); // 隊列滿時阻塞
  Integer task = queue.take(); // 隊列空時阻塞
  

3. PriorityBlockingQueue（無界優(yōu)先級隊列）

• 特點：
  • 無界隊列，基于優(yōu)先級堆實現(xiàn)。
  • 元素必須實現(xiàn) Comparable 接口或提供比較器。
• 適用場景：
  • 需要按優(yōu)先級處理任務（如緊急任務優(yōu)先）。
• 示例代碼：

  BlockingQueue<PriorityTask> queue = new PriorityBlockingQueue<>();
  queue.put(new PriorityTask(1)); // 任務優(yōu)先級由 compareTo() 決定
  PriorityTask task = queue.take();
  

4. DelayQueue（延遲隊列）

• 特點：
  • 無界隊列，元素必須實現(xiàn) Delayed 接口。
  • 只有在延遲時間到達后，任務才能被取出。
• 適用場景：
  • 定時任務（如緩存過期、訂單超時）。
• 示例代碼：

  DelayQueue<DelayedTask> queue = new DelayQueue<>();
  queue.put(new DelayedTask(5000)); // 5 秒后可用
  DelayedTask task = queue.take(); // 等待任務延遲時間到期
  

5. SynchronousQueue（同步隊列）

• 特點：
  • 無容量隊列，每個插入操作必須等待一個對應的移除操作。
  • 生產者和消費者直接傳遞數(shù)據(jù)。
• 適用場景：
  • 高吞吐量的短任務場景（如 newCachedThreadPool）。
• 示例代碼：

  BlockingQueue<String> queue = new SynchronousQueue<>();
  queue.put("X"); // 阻塞直到有消費者調用 take()
  String task = queue.take(); // 阻塞直到有生產者調用 put()
  

6. LinkedTransferQueue（無界隊列）

• 特點：
  • 支持“預占模式”（生產者和消費者直接交互）。
  • 高性能的無界隊列。
• 適用場景：
  • 需要高效傳遞任務的場景（如快速響應的系統(tǒng)）。
• 示例代碼：

  BlockingQueue<Integer> queue = new LinkedTransferQueue<>();
  queue.put(100); // 直接傳遞給消費者
  Integer task = queue.take(); // 立即獲取任務
  

7. LinkedBlockingDeque（雙向阻塞隊列）

• 特點：
  • 雙端隊列，支持從兩端插入/移除元素。
  • 可作為有界或無界隊列。
• 適用場景：
  • 工作竊取算法（如 ForkJoinPool）。
• 示例代碼：

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

阻塞隊列的核心方法

如何選擇阻塞隊列？

1. 有界 vs 無界：
   • 有界隊列（如 ArrayBlockingQueue）：防止內存溢出，需合理設置容量。
   • 無界隊列（如 LinkedBlockingQueue）：可能導致任務堆積，需結合拒絕策略使用。
2. 優(yōu)先級需求：
   • 使用 PriorityBlockingQueue 實現(xiàn)優(yōu)先級排序。
3. 延遲任務：
   • 使用 DelayQueue 實現(xiàn)定時或延遲執(zhí)行。
4. 高性能場景：
   • SynchronousQueue 適合高吞吐量的短任務。
   • LinkedTransferQueue 適合快速傳遞任務的場景。

示例：使用阻塞隊列實現(xiàn)生產者-消費者模型

import java.util.concurrent.*;

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

        // 生產者線程
        Thread producer = new Thread(() -> {
            try {
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    String task = "Task-" + i;
                    queue.put(task); // 隊列滿時阻塞
                    System.out.println("Produced: " + task);
                    Thread.sleep(100);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        });

        // 消費者線程
        Thread consumer = new Thread(() -> {
            try {
                while (true) {
                    String task = queue.take(); // 隊列空時阻塞
                    System.out.println("Consumed: " + task);
                    Thread.sleep(200);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        });

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

注意事項

1. 避免內存泄漏：
   • 使用無界隊列時，需結合線程池的拒絕策略（如 CallerRunsPolicy）。
2. 公平性：
   • ArrayBlockingQueue 支持公平鎖（構造函數(shù)傳入 true）。
3. 線程中斷：
   • 阻塞操作（如 put/take）會響應中斷，需捕獲 InterruptedException。

通過合理選擇阻塞隊列類型，可以高效地實現(xiàn)線程間的協(xié)作，解決生產者-消費者問題。

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