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本節，我們來探討Java並發包中的各種隊列。Java並發包提供了豐富的隊列類，可以簡單分為：
- 無鎖非阻塞並發隊列：ConcurrentLinkedQueue和ConcurrentLinkedDeque
- 普通阻塞隊列：基於數組的ArrayBlockingQueue，基於鏈表的LinkedBlockingQueue和LinkedBlockingDeque
- 優先級阻塞隊列：PriorityBlockingQueue
- 延時阻塞隊列：DelayQueue
- 其他阻塞隊列：SynchronousQueue和LinkedTransferQueue
無鎖非阻塞是這些隊列不使用鎖，所有操作總是可以立即執行，主要通過循環CAS實現並發安全，阻塞隊列是指這些隊列使用鎖和條件，很多操作都需要先獲取鎖或滿足特定條件，獲取不到鎖或等待條件時，會等待(即阻塞)，獲取到鎖或條件滿足再返回。
這些隊列迭代都不會拋出ConcurrentModificationException，都是弱一致的，后面就不單獨強調了。下面，我們來簡要探討每類隊列的用途、用法和基本實現原理。
無鎖非阻塞並發隊列
有兩個無鎖非阻塞隊列：ConcurrentLinkedQueue和ConcurrentLinkedDeque，它們適用於多個線程並發使用一個隊列的場合，都是基於鏈表實現的，都沒有限制大小，是無界的，與ConcurrentSkipListMap類似，它們的size方法不是一個常量運算，不過這個方法在並發應用中用處也不大。
ConcurrentLinkedQueue實現了Queue接口，表示一個先進先出的隊列，從尾部入隊，從頭部出隊，內部是一個單向鏈表。ConcurrentLinkedDeque實現了Deque接口，表示一個雙端隊列，在兩端都可以入隊和出隊，內部是一個雙向鏈表。它們的用法類似於LinkedList，我們就不贅述了。
這兩個類最基礎的原理是循環CAS，ConcurrentLinkedQueue的算法基於一篇論文："Simple, Fast, and Practical Non-Blocking and Blocking Concurrent Queue Algorithms" (https://www.research.ibm.com/people/m/michael/podc-1996.pdf)，ConcurrentLinkedDeque擴展了ConcurrentLinkedQueue的技術，但它們的具體實現都非常復雜，我們就不探討了。
普通阻塞隊列
除了剛介紹的兩個隊列，其他隊列都是阻塞隊列，都實現了接口BlockingQueue，在入隊/出隊時可能等待，主要方法有：
//入隊，如果隊列滿，等待直到隊列有空間 void put(E e) throws InterruptedException; //出隊，如果隊列空，等待直到隊列不為空，返回頭部元素 E take() throws InterruptedException; //入隊，如果隊列滿，最多等待指定的時間，如果超時還是滿，返回false boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException; //出隊，如果隊列空，最多等待指定的時間，如果超時還是空，返回null E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
普通阻塞隊列是常用的隊列，常用於生產者/消費者模式。
ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue都是實現了Queue接口，表示先進先出的隊列，尾部進，頭部出，而LinkedBlockingDeque實現了Deque接口，是一個雙端隊列。
ArrayBlockingQueue是基於循環數組實現的，有界，創建時需要指定大小，且在運行過程中不會改變，這與我們在容器類中介紹的ArrayDeque是不同的，ArrayDeque也是基於循環數組實現的，但是是無界的，會自動擴展。
LinkedBlockingQueue是基於單向鏈表實現的，在創建時可以指定最大長度，也可以不指定，默認是無限的，節點都是動態創建的。LinkedBlockingDeque與LinkedBlockingQueue一樣，最大長度也是在創建時可選的，默認無限，不過，它是基於雙向鏈表實現的。
內部，它們都是使用顯式鎖ReentrantLock和顯式條件Condition實現的。
ArrayBlockingQueue的實現很直接，有一個數組存儲元素，有兩個索引表示頭和尾，有一個變量表示當前元素個數，有一個鎖保護所有訪問，有兩個條件，"不滿"和"不空"用於協作，成員聲明如下：
final Object[] items; int takeIndex; // 頭 int putIndex; //尾 int count; //元素個數 final ReentrantLock lock; private final Condition notEmpty; private final Condition notFull;
實現思路與我們在72節實現的類似，就不贅述了。
與ArrayBlockingQueue類似，LinkedBlockingDeque也是使用一個鎖和兩個條件，使用鎖保護所有操作，使用"不滿"和"不空"兩個條件，LinkedBlockingQueue稍微不同，因為它使用鏈表，且只從頭部出隊、從尾部入隊，它做了一些優化，使用了兩個鎖，一個保護頭部，一個保護尾部，每個鎖關聯一個條件。
優先級阻塞隊列
普通阻塞隊列是先進先出的，而優先級隊列是按優先級出隊的，優先級高的先出，我們在容器類中介紹過優先級隊列PriorityQueue及其背后的數據結構堆。
PriorityBlockingQueue是PriorityQueue的並發版本，與PriorityQueue一樣，它沒有大小限制，是無界的，內部的數組大小會動態擴展，要求元素要么實現Comparable接口，要么創建PriorityBlockingQueue時提供一個Comparator對象。
與PriorityQueue的區別是，PriorityBlockingQueue實現了BlockingQueue接口，在隊列為空時，take方法會阻塞等待。
另外，PriorityBlockingQueue是線程安全的，它的基本實現原理與PriorityQueue是一樣的，也是基於堆，但它使用了一個鎖ReentrantLock保護所有訪問，使用了一個條件協調阻塞等待。
延時阻塞隊列
延時阻塞隊列DelayQueue是一種特殊的優先級隊列，它也是無界的，它要求每個元素都實現Delayed接口，該接口的聲明為：
public interface Delayed extends Comparable<Delayed> { long getDelay(TimeUnit unit); }
Delayed擴展了Comparable接口，也就是說，DelayQueue的每個元素都是可比較的，它有一個額外方法getDelay返回一個給定時間單位unit的整數，表示再延遲多長時間，如果小於等於0，表示不再延遲。
DelayQueue也是優先級隊列，它按元素的延時時間出隊，它的特殊之處在於，只有當元素的延時過期之后才能被從隊列中拿走，也就是說，take方法總是返回第一個過期的元素，如果沒有，則阻塞等待。
DelayQueue可以用於實現定時任務，我們看段簡單的示例代碼：
public class DelayedQueueDemo { private static final AtomicLong taskSequencer = new AtomicLong(0); static class DelayedTask implements Delayed { private long runTime; private long sequence; private Runnable task; public DelayedTask(int delayedSeconds, Runnable task) { this.runTime = System.currentTimeMillis() + delayedSeconds * 1000; this.sequence = taskSequencer.getAndIncrement(); this.task = task; } @Override public int compareTo(Delayed o) { if (o == this) { return 0; } if (o instanceof DelayedTask) { DelayedTask other = (DelayedTask) o; if (runTime < other.runTime) { return -1; } else if (runTime > other.runTime) { return 1; } else if (sequence < other.sequence) { return -1; } else { return 1; } } throw new IllegalArgumentException(); } @Override public long getDelay(TimeUnit unit) { return unit.convert(runTime - System.currentTimeMillis(), TimeUnit.MICROSECONDS); } public Runnable getTask() { return task; } } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { DelayQueue<DelayedTask> tasks = new DelayQueue<>(); tasks.put(new DelayedTask(2, new Runnable() { @Override public void run() { System.out.println("execute delayed task"); } })); DelayedTask task = tasks.take(); task.getTask().run(); } }
DelayedTask表示延時任務，只有延時過期后任務才會執行，任務按延時時間排序，延時一樣的按照入隊順序排序。
內部，DelayQueue是基於PriorityQueue實現的，它使用一個鎖ReentrantLock保護所有訪問，使用一個條件available表示頭部是否有元素，當頭部元素的延時未到時，take操作會根據延時計算需睡眠的時間，然后睡眠，如果在此過程中有新的元素入隊，且成為頭部元素，則阻塞睡眠的線程會被提前喚醒然后重新檢查。以上是基本思路，DelayQueue的實現有一些優化，以減少不必要的喚醒，具體我們就不探討了。
其他阻塞隊列
Java並發包中還有兩個特殊的阻塞隊列，SynchronousQueue和LinkedTransferQueue。
SynchronousQueue
SynchronousQueue與一般的隊列不同，它不算一種真正的隊列，它沒有存儲元素的空間，存儲一個元素的空間都沒有。它的入隊操作要等待另一個線程的出隊操作，反之亦然。如果沒有其他線程在等待從隊列中接收元素，put操作就會等待。take操作需要等待其他線程往隊列中放元素，如果沒有，也會等待。SynchronousQueue適用於兩個線程之間直接傳遞信息、事件或任務。
LinkedTransferQueue
LinkedTransferQueue實現了TransferQueue接口，TransferQueue是BlockingQueue的子接口，但增加了一些額外功能，生產者在往隊列中放元素時，可以等待消費者接收后再返回，適用於一些消息傳遞類型的應用中。TransferQueue的接口定義為：
public interface TransferQueue<E> extends BlockingQueue<E> { //如果有消費者在等待(執行take或限時的poll)，直接轉給消費者， //返回true，否則返回false，不入隊 boolean tryTransfer(E e); //如果有消費者在等待，直接轉給消費者， //否則入隊，阻塞等待直到被消費者接收后再返回 void transfer(E e) throws InterruptedException; //如果有消費者在等待，直接轉給消費者，返回true //否則入隊，阻塞等待限定的時間，如果最后被消費者接收，返回true boolean tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException; //是否有消費者在等待 boolean hasWaitingConsumer(); //等待的消費者個數 int getWaitingConsumerCount(); }
LinkedTransferQueue是基於鏈表實現的、無界的TransferQueue，具體實現比較復雜，我們就不探討了。
小結
本節簡要介紹了Java並發包中的各種隊列，包括其基本概念和基本原理。
從73節到本節，我們介紹了Java並發包的各種容器，至此，就介紹完了，在實際開發中，應該盡量使用這些現成的容器，而非重新發明輪子。
Java並發包中還提供了一種方便的任務執行服務，使用它，可以將要執行的並發任務與線程的管理相分離，大大簡化並發任務和線程的管理，讓我們下一節來探討。
(與其他章節一樣，本節所有代碼位於 https://github.com/swiftma/program-logic)
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