10. java中Queue家族简介
简介
java中Collection集合有三大家族List，Set和Queue。当然Map也算是一种集合类，但Map并不继承Collection接口。
List，Set在我们的工作中会经常使用，通常用来存储结果数据，而Queue由于它的特殊性，通常用在生产者消费者模式中。
现在很火的消息中间件比如：Rabbit MQ等都是Queue这种数据结构的展开。
今天这篇文章将带大家进入Queue家族。
Queue接口
先看下Queue的继承关系和其中定义的方法：
Queue继承自Collection，Collection继承自Iterable。
Queue有三类主要的方法，我们用个表格来看一下他们的区别：
| 方法类型 | 方法名称 | 方法名称 | 区别 |
|---|
| | | 两个方法都表示向Queue中添加某个元素，不同之处在于添加失败的情况，add只会返回true，如果添加失败，会抛出异常。offer在添加失败的时候会返回false。所以对那些有固定长度的Queue，优先使用offer方法。 |
| | | 如果Queue是空的情况下，remove会抛出异常，而poll会返回null。 |
| | | 获取Queue头部的元素，但不从Queue中删除。两者的区别还是在于Queue为空的情况下，element会抛出异常，而peek返回null。 |
注意，因为对poll和peek来说null是有特殊含义的，所以一般来说Queue中禁止插入null，但是在实现中还是有一些类允许插入null比如LinkedList。
尽管如此，我们在使用中还是要避免插入null元素。
Queue的分类
一般来说Queue可以分为BlockingQueue，Deque和TransferQueue三种。
BlockingQueue
BlockingQueue是Queue的一种实现，它提供了两种额外的功能：
当当前Queue是空的时候，从BlockingQueue中获取元素的操作会被阻塞。
当当前Queue达到最大容量的时候，插入BlockingQueue的操作会被阻塞。
BlockingQueue的操作可以分为下面四类：
| 操作类型 | Throws exception | Special value | Blocks | Times out |
|---|
| | | | |
| | | | |
| | | | |
第一类是会抛出异常的操作，当遇到插入失败，队列为空的时候抛出异常。
第二类是不会抛出异常的操作。
第三类是会Block的操作。当Queue为空或者达到最大容量的时候。
第四类是time out的操作，在给定的时间里会Block，超时会直接返回。
BlockingQueue是线程安全的Queue,可以在生产者消费者模式的多线程中使用，如下所示：
class Producer implements Runnable {
private final BlockingQueue queue;
Producer(BlockingQueue q) { queue = q; }
public void run() {
try {
while (true) { queue.put(produce()); }
} catch (InterruptedException ex) { ... handle ...}
}
Object produce() { ... }
}
class Consumer implements Runnable {
private final BlockingQueue queue;
Consumer(BlockingQueue q) { queue = q; }
public void run() {
try {
while (true) { consume(queue.take()); }
} catch (InterruptedException ex) { ... handle ...}
}
void consume(Object x) { ... }
}
class Setup {
void main() {
BlockingQueue q = new SomeQueueImplementation();
Producer p = new Producer(q);
Consumer c1 = new Consumer(q);
Consumer c2 = new Consumer(q);
new Thread(p).start();
new Thread(c1).start();
new Thread(c2).start();
}
}
最后，在一个线程中向BlockQueue中插入元素之前的操作happens-before另外一个线程中从BlockQueue中删除或者获取的操作。
Deque
Deque是Queue的子类，它代表double ended queue，也就是说可以从Queue的头部或者尾部插入和删除元素。
同样的，我们也可以将Deque的方法用下面的表格来表示，Deque的方法可以分为对头部的操作和对尾部的操作：
| 方法类型 | Throws exception | Special value | Throws exception | Special value |
|---|
| | | | |
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| | | | |
和Queue的方法描述基本一致，这里就不多讲了。
当Deque以 FIFO (First-In-First-Out)的方法处理元素的时候，Deque就相当于一个Queue。
当Deque以LIFO (Last-In-First-Out)的方式处理元素的时候，Deque就相当于一个Stack。
TransferQueue
TransferQueue继承自BlockingQueue，为什么叫Transfer呢？因为TransferQueue提供了一个transfer的方法，生产者可以调用这个transfer方法，从而等待消费者调用take或者poll方法从Queue中拿取数据。
还提供了非阻塞和timeout版本的tryTransfer方法以供使用。
我们举个TransferQueue实现的生产者消费者的问题。
先定义一个生产者：
@Slf4j
@Data
@AllArgsConstructor
class Producer implements Runnable {
private TransferQueue<String> transferQueue;
private String name;
private Integer messageCount;
public static final AtomicInteger messageProduced = new AtomicInteger();
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < messageCount; i++) {
try {
boolean added = transferQueue.tryTransfer( "第"+i+"个", 2000, TimeUnit.MILLISECONDS);
log.info("transfered {} 是否成功: {}","第"+i+"个",added);
if(added){
messageProduced.incrementAndGet();
}
} catch (InterruptedException e) {
log.error(e.getMessage(),e);
}
}
log.info("total transfered {}",messageProduced.get());
}
}
在生产者的run方法中，我们调用了tryTransfer方法，等待2秒钟，如果没成功则直接返回。
再定义一个消费者：
@Slf4j
@Data
@AllArgsConstructor
public class Consumer implements Runnable {
private TransferQueue<String> transferQueue;
private String name;
private int messageCount;
public static final AtomicInteger messageConsumed = new AtomicInteger();
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < messageCount; i++) {
try {
String element = transferQueue.take();
log.info("take {}",element );
messageConsumed.incrementAndGet();
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
log.error(e.getMessage(),e);
}
}
log.info("total consumed {}",messageConsumed.get());
}
}
在run方法中，调用了transferQueue.take方法来取消息。
下面先看一下一个生产者，零个消费者的情况：
@Test
public void testOneProduceZeroConsumer() throws InterruptedException {
TransferQueue<String> transferQueue = new LinkedTransferQueue<>();
ExecutorService exService = Executors.newFixedThreadPool(10);
Producer producer = new Producer(transferQueue, "ProducerOne", 5);
exService.execute(producer);
exService.awaitTermination(50000, TimeUnit.MILLISECONDS);
exService.shutdown();
}
输出结果：
[pool-1-thread-1] INFO com.flydean.Producer - transfered 第0个 是否成功: false
[pool-1-thread-1] INFO com.flydean.Producer - transfered 第1个 是否成功: false
[pool-1-thread-1] INFO com.flydean.Producer - transfered 第2个 是否成功: false
[pool-1-thread-1] INFO com.flydean.Producer - transfered 第3个 是否成功: false
[pool-1-thread-1] INFO com.flydean.Producer - transfered 第4个 是否成功: false
[pool-1-thread-1] INFO com.flydean.Producer - total transfered 0
可以看到，因为没有消费者，所以消息并没有发送成功。
再看下一个有消费者的情况：
@Test
public void testOneProduceOneConsumer() throws InterruptedException {
TransferQueue<String> transferQueue = new LinkedTransferQueue<>();
ExecutorService exService = Executors.newFixedThreadPool(10);
Producer producer = new Producer(transferQueue, "ProducerOne", 2);
Consumer consumer = new Consumer(transferQueue, "ConsumerOne", 2);
exService.execute(producer);
exService.execute(consumer);
exService.awaitTermination(50000, TimeUnit.MILLISECONDS);
exService.shutdown();
}
输出结果：
[pool-1-thread-2] INFO com.flydean.Consumer - take 第0个
[pool-1-thread-1] INFO com.flydean.Producer - transfered 第0个 是否成功: true
[pool-1-thread-2] INFO com.flydean.Consumer - take 第1个
[pool-1-thread-1] INFO com.flydean.Producer - transfered 第1个 是否成功: true
[pool-1-thread-1] INFO com.flydean.Producer - total transfered 2
[pool-1-thread-2] INFO com.flydean.Consumer - total consumed 2
可以看到Producer和Consumer是一个一个来生产和消费的。
总结
本文介绍了Queue接口和它的三大分类，这三大分类又有非常多的实现类，我们将会在后面的文章中再详细介绍。
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