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Java 阻塞队列：7种类型全解析

news 2025/7/9 14:57:00

在 Java 中，阻塞队列（BlockingQueue） 是一种线程安全的队列结构，用于实现生产者-消费者模式。它的核心特性是在队列为空时阻塞消费者线程，在队列满时阻塞生产者线程，从而自动协调线程之间的协作。

阻塞队列的核心特性

线程安全：所有操作（如 put、take）都是线程安全的。
阻塞操作：
- 队列满时：生产者线程阻塞（等待消费者消费）。
- 队列空时：消费者线程阻塞（等待生产者生产）。
超时控制：支持带超时时间的操作（如 offer(timeout, unit) 和 poll(timeout, unit)）。
公平策略：部分实现（如 ArrayBlockingQueue）支持公平锁，防止线程饥饿。

Java 中的 7 种阻塞队列

以下是 Java 提供的 7 种阻塞队列及其特点和适用场景：

1. ArrayBlockingQueue（有界队列）

特点：
- 基于数组实现，容量固定（初始化时指定）。
- 支持公平锁（默认非公平锁）。
适用场景：
- 需要严格限制队列容量的场景（如任务量可控的线程池）。

示例代码：

BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<>(3);
queue.put("A"); // 队列满时阻塞
String task = queue.take(); // 队列空时阻塞

2. LinkedBlockingQueue（有界/无界队列）

特点：
- 基于链表实现，默认容量为 Integer.MAX_VALUE（可视为无界）。
- 入队和出队使用独立锁（putLock 和 takeLock），提高并发性能。
适用场景：
- 任务量不可预测的高吞吐量场景（如线程池默认队列）。

示例代码：

BlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<>(100); // 指定容量
queue.put(1); // 队列满时阻塞
Integer task = queue.take(); // 队列空时阻塞

3. PriorityBlockingQueue（无界优先级队列）

特点：
- 无界队列，基于优先级堆实现。
- 元素必须实现 Comparable 接口或提供比较器。
适用场景：
- 需要按优先级处理任务（如紧急任务优先）。

示例代码：

BlockingQueue<PriorityTask> queue = new PriorityBlockingQueue<>();
queue.put(new PriorityTask(1)); // 任务优先级由 compareTo() 决定
PriorityTask task = queue.take();

4. DelayQueue（延迟队列）

特点：
- 无界队列，元素必须实现 Delayed 接口。
- 只有在延迟时间到达后，任务才能被取出。
适用场景：
- 定时任务（如缓存过期、订单超时）。

示例代码：

DelayQueue<DelayedTask> queue = new DelayQueue<>();
queue.put(new DelayedTask(5000)); // 5 秒后可用
DelayedTask task = queue.take(); // 等待任务延迟时间到期

5. SynchronousQueue（同步队列）

特点：
- 无容量队列，每个插入操作必须等待一个对应的移除操作。
- 生产者和消费者直接传递数据。
适用场景：
- 高吞吐量的短任务场景（如 newCachedThreadPool）。

示例代码：

BlockingQueue<String> queue = new SynchronousQueue<>();
queue.put("X"); // 阻塞直到有消费者调用 take()
String task = queue.take(); // 阻塞直到有生产者调用 put()

6. LinkedTransferQueue（无界队列）

特点：
- 支持“预占模式”（生产者和消费者直接交互）。
- 高性能的无界队列。
适用场景：
- 需要高效传递任务的场景（如快速响应的系统）。

示例代码：

BlockingQueue<Integer> queue = new LinkedTransferQueue<>();
queue.put(100); // 直接传递给消费者
Integer task = queue.take(); // 立即获取任务

7. LinkedBlockingDeque（双向阻塞队列）

特点：
- 双端队列，支持从两端插入/移除元素。
- 可作为有界或无界队列。
适用场景：
- 工作窃取算法（如 ForkJoinPool）。

示例代码：

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

阻塞队列的核心方法

方法	行为	抛出异常	返回布尔值	阻塞	超时阻塞
`add(E e)`	插入元素	队列满时抛异常	-	否	否
`offer(E e)`	插入元素	队列满时返回 `false`	-	否	否
`offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)`	插入元素	超时后返回 `false`	-	是	是
`put(E e)`	插入元素	-	-	是	否
`remove()`	移除元素	队列空时抛异常	-	否	否
`poll()`	移除元素	队列空时返回 `null`	-	否	否
`poll(long timeout, TimeUnit unit)`	移除元素	超时后返回 `null`	-	是	是
`take()`	移除元素	-	-	是	否

如何选择阻塞队列？

有界 vs 无界：
- 有界队列（如 ArrayBlockingQueue）：防止内存溢出，需合理设置容量。
- 无界队列（如 LinkedBlockingQueue）：可能导致任务堆积，需结合拒绝策略使用。
优先级需求：
- 使用 PriorityBlockingQueue 实现优先级排序。
延迟任务：
- 使用 DelayQueue 实现定时或延迟执行。
高性能场景：
- SynchronousQueue 适合高吞吐量的短任务。
- LinkedTransferQueue 适合快速传递任务的场景。

示例：使用阻塞队列实现生产者-消费者模型

import java.util.concurrent.*;public class ProducerConsumerExample {public static void main(String[] args) {BlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<>(10);// 生产者线程Thread producer = new Thread(() -> {try {for (int i = 0; i < 10; i++) {String task = "Task-" + i;queue.put(task); // 队列满时阻塞System.out.println("Produced: " + task);Thread.sleep(100);}} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}});// 消费者线程Thread consumer = new Thread(() -> {try {while (true) {String task = queue.take(); // 队列空时阻塞System.out.println("Consumed: " + task);Thread.sleep(200);}} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}});producer.start();consumer.start();}
}