Java中ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue

简介：

Java中的BlockingQueue是java.util.concurrent包中的一个接口，是JDK中的并发工具，提供了线程安全的队列，可以用来协调生产者与消费者线程的生产和消费的速度，并且解决了高并发下数据读写的安全问题。BlockingQueue具有阻塞的复杂行为，可以实现生产、消费线程集合的同步。

Java中有两个BlockingQueue的实现类ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue，两者都实现了BlockingQueue接口，但是在实现细节上有所不同，下面将对它们进行详细讲解。

一、ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue是一个有界阻塞队列，它的容量固定，在创建时必须指定容量大小，并且不可更改。它内部以数组进行实现，因此其读写速度较快。

1.1 初始化

ArrayBlockingQueue的初始化需要指定容量大小，如下所示：

BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<>(capacity);

其中capacity表示队列的容量大小。

1.2 队列操作

ArrayBlockingQueue提供了一系列的队列操作方法，例如：

• add(E e) 将指定元素插入此队列。
• put(E e) 将指定元素插入此队列，如有必要阻塞线程等待可用。
• take() 移除并返回此队列的头部，如果此队列为空，则阻塞线程等待可用。
• poll() 检索并移除此队列的头，如果此队列为空，则返回 null。

示例：

BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<>(2);

queue.add("A");
queue.add("B");
queue.add("C");// 添加第三个元素，会抛出IllegalStateException异常

运行结果：

Exception in thread "main" java.lang.IllegalStateException: Queue full
    at java.util.AbstractQueue.add(AbstractQueue.java:98)
    at java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue.add(ArrayBlockingQueue.java:312)

从上面的运行结果中可以看出，当添加元素达到队列容量时，再次添加元素会抛出IllegalStateException异常。

示例：

BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<>(2);

queue.put("A");
queue.put("B");
queue.put("C");// 阻塞线程，直到队列中有空闲位置

String element = queue.take();// 从队列中取出元素，如果队列为空则阻塞线程，直到有可用元素

1.3 等待超时操作

ArrayBlockingQueue还提供了等待超时操作的方法，例如：

• offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) 将指定元素插入此队列，并在指定的等待时间内等待空间变得可用。
• poll(long timeout, TimeUnit unit) 检索并移除此队列的头，如果此队列为空，则在指定的等待时间内等待可用元素。

示例：

BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<>(2);

queue.offer("A", 1000, TimeUnit.MILLISECONDS);
queue.offer("B", 1000, TimeUnit.MILLISECONDS);
queue.offer("C", 1000, TimeUnit.MILLISECONDS);// 阻塞线程，直到队列中有空闲位置，等待1秒

String element = queue.poll(1000, TimeUnit.MILLISECONDS);// 从队列中取出元素，如果队列为空则等待1秒，直到有可用元素

二、LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue是一个无界阻塞队列，它的容量没有限制，在创建时可以选择是否指定容量大小。它内部以链表进行实现，因此其读写速度较慢，但是其容量不受限制，可以用于解决任务生产速度与消费速度不一致的场景。

2.1 初始化

LinkedBlockingQueue的初始化可以选择是否指定容量大小，如下所示：

BlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<>();

或者指定容量大小，例如：

BlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<>(capacity);

其中capacity表示队列的容量大小，如果不指定则默认为Integer.MAX_VALUE。

2.2 队列操作

LinkedBlockingQueue也提供了一系列的队列操作方法，与ArrayBlockingQueue的方法类似，例如：

• add(E e) 将指定元素插入此队列。
• put(E e) 将指定元素插入此队列，如有必要阻塞线程等待可用。
• take() 移除并返回此队列的头部，如果此队列为空，则阻塞线程等待可用。
• poll() 检索并移除此队列的头，如果此队列为空，则返回 null。

示例：

BlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<>(2);

queue.add("A");
queue.add("B");
queue.add("C");// 添加第三个元素，不会抛出异常

String element = queue.poll();// 从队列中取出元素，如果队列为空则返回null

示例：

BlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<>(2);

queue.put("A");
queue.put("B");
queue.put("C");// 阻塞线程，直到队列中有空闲位置

String element = queue.take();// 从队列中取出元素，如果队列为空则阻塞线程，直到有可用元素

2.3 等待超时操作

LinkedBlockingQueue也提供了等待超时操作的方法，例如：

• offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) 将指定元素插入此队列，并在指定的等待时间内等待空间变得可用。
• poll(long timeout, TimeUnit unit) 检索并移除此队列的头，如果此队列为空，则在指定的等待时间内等待可用元素。

示例：

BlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<>(2);

queue.offer("A", 1000, TimeUnit.MILLISECONDS);
queue.offer("B", 1000, TimeUnit.MILLISECONDS);
queue.offer("C", 1000, TimeUnit.MILLISECONDS);// 阻塞线程，直到队列中有空闲位置，等待1秒

String element = queue.poll(1000, TimeUnit.MILLISECONDS);// 从队列中取出元素，如果队列为空则等待1秒，直到有可用元素

总结：

ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue都是BlockingQueue的实现类，都可以用来实现生产者和消费者模型，但是它们在实现方式上有所不同。ArrayBlockingQueue是一个有界阻塞队列，内部以数组进行实现，读写速度较快；LinkedBlockingQueue是一个无界阻塞队列，内部以链表进行实现，读写速度较慢。

当生产者的速度大于消费者的速度时，ArrayBlockingQueue可以避免队列无限增长的问题；当生产者和消费者速度相差不大，或者需要无限制地添加元素时，可以选择使用LinkedBlockingQueue。

参考文章：https://www.jianshu.com/p/97cccbb9fc99