1. 阻塞隊列的應用場景
我們來看一個場景，監控文件變化的時候，我們開一個線程獲取變化了的文件名，拿到之后我們會做解析，查找數據庫等等其他操作。如果我們對這兩個操作分開統計它們的處理時間，會發現后面的解析需要的時間遠遠大於前面得到文件名的時間。
這時如果監控文件變化的線程是每一秒輪詢一次，假設操作1耗時1ms,操作2耗時有時正好與操作1加起來在一秒內，有時由於文件過大，解析時間過長超出了一秒，就會出現有文件被監控到發生了變化卻來不及處理，所以這批文件變化被漏掉了。
把上面這個場景抽象化，就是在生產者消費者模型中，生產數據和消費數據的速率不一致，如果生產數據速度快一些，消費(處理)不過來，就會導致數據丟失。這時候我們就可以應用上阻塞隊列來解決這個問題。
阻塞隊列首先是一個隊列，我們起單線程生產數據入隊，起多線程消費數據。由於阻塞隊列的特點：隊空時消費阻塞，隊滿時生產阻塞。多線程消費數據起到了加速消費的作用，使得生產的數據不會在隊里積壓過多，而生產的數據也不會丟失處理了。
2. 阻塞隊列 集合類
JDK7提供了7個阻塞隊列。分別是
- ArrayBlockingQueue ：一個由數組結構組成的有界阻塞隊列。
- LinkedBlockingQueue ：一個由鏈表結構組成的有界阻塞隊列。
- PriorityBlockingQueue ：一個支持優先級排序的無界阻塞隊列。
- DelayQueue：一個使用優先級隊列實現的無界阻塞隊列。
- SynchronousQueue：一個不存儲元素的阻塞隊列。
- LinkedTransferQueue：一個由鏈表結構組成的無界阻塞隊列。
- LinkedBlockingDeque：一個由鏈表結構組成的雙向阻塞隊列。
ArrayBlockingQueue是一個用數組實現的有界阻塞隊列。此隊列按照先進先出（FIFO）的原則對元素進行排序。默認情況下不保證訪問者公平的訪問隊列，所謂公平訪問隊列是指阻塞的所有生產者線程或消費者線程，當隊列可用時，可以按照阻塞的先后順序訪問隊列，即先阻塞的生產者線程，可以先往隊列里插入元素，先阻塞的消費者線程，可以先從隊列里獲取元素。通常情況下為了保證公平性會降低吞吐量。我們可以使用以下代碼創建一個公平的阻塞隊列：
ArrayBlockingQueue fairQueue = new ArrayBlockingQueue(1000,true); 訪問者的公平性是使用可重入鎖實現的，代碼如下：
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) { if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException(); this.items = new Object[capacity]; lock = new ReentrantLock(fair); notEmpty = lock.newCondition(); notFull = lock.newCondition(); } LinkedBlockingQueue是一個用鏈表實現的有界阻塞隊列。此隊列的默認和最大長度為Integer.MAX_VALUE。此隊列按照先進先出的原則對元素進行排序。
PriorityBlockingQueue是一個支持優先級的無界隊列。默認情況下元素采取自然順序排列，也可以通過比較器comparator來指定元素的排序規則。元素按照升序排列。
DelayQueue是一個支持延時獲取元素的無界阻塞隊列。隊列使用PriorityQueue來實現。隊列中的元素必須實現Delayed接口，在創建元素時可以指定多久才能從隊列中獲取當前元素。只有在延遲期滿時才能從隊列中提取元素。我們可以將DelayQueue運用在以下應用場景：
- 緩存系統的設計：可以用DelayQueue保存緩存元素的有效期，使用一個線程循環查詢DelayQueue，一旦能從DelayQueue中獲取元素時，表示緩存有效期到了。
- 定時任務調度。使用DelayQueue保存當天將會執行的任務和執行時間，一旦從DelayQueue中獲取到任務就開始執行，從比如TimerQueue就是使用DelayQueue實現的。
隊列中的Delayed必須實現compareTo來指定元素的順序。比如讓延時時間最長的放在隊列的末尾。實現代碼如下：
public int compareTo(Delayed other) { if (other == this) // compare zero ONLY if same object return 0; if (other instanceof ScheduledFutureTask) { ScheduledFutureTask x = (ScheduledFutureTask)other; long diff = time - x.time; if (diff < 0) return -1; else if (diff > 0) return 1; else if (sequenceNumber < x.sequenceNumber) return -1; else return 1; } long d = (getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) - other.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS)); return (d == 0) ? 0 : ((d < 0) ? -1 : 1); } 如何實現Delayed接口
我們可以參考ScheduledThreadPoolExecutor里ScheduledFutureTask類。這個類實現了Delayed接口。首先：在對象創建的時候，使用time記錄前對象什么時候可以使用，代碼如下：
ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns, long period) { super(r, result); this.time = ns; this.period = period; this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement(); } 然后使用getDelay可以查詢當前元素還需要延時多久，代碼如下：
public long getDelay(TimeUnit unit) { return unit.convert(time - now(), TimeUnit.NANOSECONDS); } 通過構造函數可以看出延遲時間參數ns的單位是納秒，自己設計的時候最好使用納秒，因為getDelay時可以指定任意單位，一旦以納秒作為單位，而延時的時間又精確不到納秒就麻煩了。使用時請注意當time小於當前時間時，getDelay會返回負數。
如何實現延時隊列
延時隊列的實現很簡單，當消費者從隊列里獲取元素時，如果元素沒有達到延時時間，就阻塞當前線程。
long delay = first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS); if (delay <= 0) return q.poll(); else if (leader != null) available.await(); SynchronousQueue是一個不存儲元素的阻塞隊列。每一個put操作必須等待一個take操作，否則不能繼續添加元素。SynchronousQueue可以看成是一個傳球手，負責把生產者線程處理的數據直接傳遞給消費者線程。隊列本身並不存儲任何元素，非常適合於傳遞性場景,比如在一個線程中使用的數據，傳遞給另外一個線程使用，SynchronousQueue的吞吐量高於LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue。
LinkedTransferQueue是一個由鏈表結構組成的無界阻塞TransferQueue隊列。相對於其他阻塞隊列，LinkedTransferQueue多了tryTransfer和transfer方法。
transfer方法。如果當前有消費者正在等待接收元素（消費者使用take()方法或帶時間限制的poll()方法時），transfer方法可以把生產者傳入的元素立刻transfer（傳輸）給消費者。如果沒有消費者在等待接收元素，transfer方法會將元素存放在隊列的tail節點，並等到該元素被消費者消費了才返回。transfer方法的關鍵代碼如下：
Node pred = tryAppend(s, haveData);
return awaitMatch(s, pred, e, (how == TIMED), nanos); 第一行代碼是試圖把存放當前元素的s節點作為tail節點。第二行代碼是讓CPU自旋等待消費者消費元素。因為自旋會消耗CPU，所以自旋一定的次數后使用Thread.yield()方法來暫停當前正在執行的線程，並執行其他線程。
tryTransfer方法。則是用來試探下生產者傳入的元素是否能直接傳給消費者。如果沒有消費者等待接收元素，則返回false。和transfer方法的區別是tryTransfer方法無論消費者是否接收，方法立即返回。而transfer方法是必須等到消費者消費了才返回。
對於帶有時間限制的tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit)方法，則是試圖把生產者傳入的元素直接傳給消費者，但是如果沒有消費者消費該元素則等待指定的時間再返回，如果超時還沒消費元素，則返回false，如果在超時時間內消費了元素，則返回true。
LinkedBlockingDeque是一個由鏈表結構組成的雙向阻塞隊列。所謂雙向隊列指的你可以從隊列的兩端插入和移出元素。雙端隊列因為多了一個操作隊列的入口，在多線程同時入隊時，也就減少了一半的競爭。相比其他的阻塞隊列，LinkedBlockingDeque多了addFirst，addLast，offerFirst，offerLast，peekFirst，peekLast等方法，以First單詞結尾的方法，表示插入，獲取（peek）或移除雙端隊列的第一個元素。以Last單詞結尾的方法，表示插入，獲取或移除雙端隊列的最后一個元素。另外插入方法add等同於addLast，移除方法remove等效於removeFirst。但是take方法卻等同於takeFirst，不知道是不是Jdk的bug，使用時還是用帶有First和Last后綴的方法更清楚。
在初始化LinkedBlockingDeque時可以設置容量防止其過渡膨脹。另外雙向阻塞隊列可以運用在“工作竊取”模式中。
3. 阻塞隊列的實現原理
如果隊列是空的，消費者會一直等待，當生產者添加元素時候，消費者是如何知道當前隊列有元素的呢？如果讓你來設計阻塞隊列你會如何設計，讓生產者和消費者能夠高效率的進行通訊呢？讓我們先來看看JDK是如何實現的。
使用通知模式實現。所謂通知模式，就是當生產者往滿的隊列里添加元素時會阻塞住生產者，當消費者消費了一個隊列中的元素后，會通知生產者當前隊列可用。通過查看JDK源碼發現ArrayBlockingQueue使用了Condition來實現，代碼如下：
private final Condition notFull; private final Condition notEmpty; public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) { //省略其他代碼 notEmpty = lock.newCondition(); notFull = lock.newCondition(); } public void put(E e) throws InterruptedException { checkNotNull(e); final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lockInterruptibly(); try { while (count == items.length) notFull.await(); insert(e); } finally { lock.unlock(); } } public E take() throws InterruptedException { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lockInterruptibly(); try { while (count == 0) notEmpty.await(); return extract(); } finally { lock.unlock(); } } private void insert(E x) { items[putIndex] = x; putIndex = inc(putIndex); ++count; notEmpty.signal(); } 當我們往隊列里插入一個元素時，如果隊列不可用，阻塞生產者主要通過LockSupport.park(this);來實現
public final void await() throws InterruptedException { if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException(); Node node = addConditionWaiter(); int savedState = fullyRelease(node); int interruptMode = 0; while (!isOnSyncQueue(node)) { LockSupport.park(this); if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) break; } if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) interruptMode = REINTERRUPT; if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled unlinkCancelledWaiters(); if (interruptMode != 0) reportInterruptAfterWait(interruptMode); } 繼續進入源碼，發現調用setBlocker先保存下將要阻塞的線程，然后調用unsafe.park阻塞當前線程。
public static void park(Object blocker) { Thread t = Thread.currentThread(); setBlocker(t, blocker); unsafe.park(false, 0L); setBlocker(t, null); } unsafe.park是個native方法，代碼如下：
public native void park(boolean isAbsolute, long time); park這個方法會阻塞當前線程，只有以下四種情況中的一種發生時，該方法才會返回。
- 與park對應的unpark執行或已經執行時。注意：已經執行是指unpark先執行，然后再執行的park。
- 線程被中斷時。
- 如果參數中的time不是零，等待了指定的毫秒數時。
- 發生異常現象時。這些異常事先無法確定。
我們繼續看一下JVM是如何實現park方法的，park在不同的操作系統使用不同的方式實現，在linux下是使用的是系統方法pthread_cond_wait實現。實現代碼在JVM源碼路徑src/os/linux/vm/os_linux.cpp里的 os::PlatformEvent::park方法，代碼如下：
void os::PlatformEvent::park() { int v ; for (;;) { v = _Event ; if (Atomic::cmpxchg (v-1, &_Event, v) == v) break ; } guarantee (v >= 0, "invariant") ; if (v == 0) { // Do this the hard way by blocking ... int status = pthread_mutex_lock(_mutex); assert_status(status == 0, status, "mutex_lock"); guarantee (_nParked == 0, "invariant") ; ++ _nParked ; while (_Event < 0) { status = pthread_cond_wait(_cond, _mutex); // for some reason, under 2.7 lwp_cond_wait() may return ETIME ... // Treat this the same as if the wait was interrupted if (status == ETIME) { status = EINTR; } assert_status(status == 0 || status == EINTR, status, "cond_wait"); } -- _nParked ; // In theory we could move the ST of 0 into _Event past the unlock(), // but then we'd need a MEMBAR after the ST. _Event = 0 ; status = pthread_mutex_unlock(_mutex); assert_status(status == 0, status, "mutex_unlock"); } guarantee (_Event >= 0, "invariant") ; } } pthread_cond_wait是一個多線程的條件變量函數，cond是condition的縮寫，字面意思可以理解為線程在等待一個條件發生，這個條件是一個全局變量。這個方法接收兩個參數，一個共享變量_cond，一個互斥量_mutex。而unpark方法在linux下是使用pthread_cond_signal實現的。park 在windows下則是使用WaitForSingleObject實現的。
當隊列滿時，生產者往阻塞隊列里插入一個元素，生產者線程會進入WAITING (parking)狀態。我們可以使用jstack dump阻塞的生產者線程看到這點：
"main" prio=5 tid=0x00007fc83c000000 nid=0x10164e000 waiting on condition [0x000000010164d000] java.lang.Thread.State: WAITING (parking) at sun.misc.Unsafe.park(Native Method) - parking to wait for <0x0000000140559fe8> (a java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject) at java.util.concurrent.locks.LockSupport.park(LockSupport.java:186) at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject.await(AbstractQueuedSynchronizer.java:2043) at java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue.put(ArrayBlockingQueue.java:324) at blockingqueue.ArrayBlockingQueueTest.main(ArrayBlockingQueueTest.java:11)