Java LinkedBlockingQueue详解

1. 概述

在Java多线程编程中，我们经常需要处理数据的生产者与消费者问题。其中生产者负责生产数据，消费者负责消费数据。LinkedBlockingQueue是Java中的一个线程安全的阻塞队列实现，常用于生产者与消费者问题的解决方案之一。

本文将详细介绍LinkedBlockingQueue的特性、原理和用法，并给出一些使用示例。

2. 特性

LinkedBlockingQueue具有以下几个特性：

2.1 线程安全

LinkedBlockingQueue采用了内部锁实现线程安全。内部采用了ReentrantLock和Condition，因此可以安全地在多个线程中使用。

2.2 阻塞操作

LinkedBlockingQueue提供了阻塞操作的方法，包括阻塞添加元素、阻塞移除元素和阻塞检查队列是否为空。这些方法可用于处理生产者消费者问题中的阻塞操作。

2.3 无界队列

LinkedBlockingQueue是一个可选的有界队列，即可以创建有界队列和无界队列。对于有界队列，如果超过了队列的容量，则添加元素的线程将被阻塞，直到队列有足够的空间。如果未指定容量，则默认为无界队列。

2.4 公平性

LinkedBlockingQueue提供了两种构造方法：默认构造方法创建一个不公平的队列，另一个构造方法可以传入一个布尔值来指定公平性。对于公平队列，线程将按照它们添加到队列中的顺序进行获取（FIFO）。而对于不公平队列，线程获取元素的顺序是不确定的。

3. 原理

LinkedBlockingQueue内部由一个双向链表实现，每个节点包含一个数据元素和两个指针，分别指向前一个节点和后一个节点。该链表可以用于实现先进先出（FIFO）或后进先出（LIFO）的队列。此外，LinkedBlockingQueue还包含了两个锁，分别用于对入队和出队操作的并发控制。

3.1 入队操作

当一个线程尝试向队列中添加元素时，它首先获取入队锁。然后，它会创建一个新的节点，并将该节点添加到链表尾部。最后，它释放入队锁并通知其他线程有新元素添加到队列中。

3.2 出队操作

当一个线程尝试从队列中取出元素时，它首先获取出队锁。然后，它会获取链表头部的节点，并将该节点移除。最后，它释放出队锁并返回取出的元素。

3.3 阻塞操作

当队列为空时，调用take()方法进行取出元素的线程将被阻塞，直到队列中有新的元素被添加。当队列已满时，调用put()方法进行添加元素的线程将被阻塞，直到队列中有空间可用。

4. 使用示例

下面我们给出几个使用LinkedBlockingQueue的示例。

4.1 生产者与消费者问题

在这个示例中，我们创建了一个生产者和一个消费者线程。生产者线程负责向队列中添加元素，消费者线程负责从队列中取出元素。我们使用LinkedBlockingQueue实现了线程间的数据传递。

import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;

public class ProducerConsumerExample {

    private static LinkedBlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<>();

    public static void main(String[] args) {
        Thread producerThread = new Thread(() -> {
            try {
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    queue.put(i);
                    System.out.println("Producer added: " + i);
                    Thread.sleep(1000);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });

        Thread consumerThread = new Thread(() -> {
            try {
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    int value = queue.take();
                    System.out.println("Consumer removed: " + value);
                    Thread.sleep(2000);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });

        producerThread.start();
        consumerThread.start();
    }
}

运行以上代码，我们可以看到生产者不断地向队列中添加元素，消费者则不断地从队列中取出元素，并按照添加的顺序进行消费。

4.2 选择有界队列

在上一个示例中，我们使用的是默认的无界队列。现在，我们使用有界队列来限制队列的容量，并演示超过容量时的阻塞操作。

import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;

public class BoundedQueueExample {

    private static LinkedBlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<>(3);

    public static void main(String[] args) {
        Thread producerThread = new Thread(() -> {
            try {
                for (int i = 0; i < 5; i++) {
                    queue.put(i);
                    System.out.println("Producer added: " + i);
                    Thread.sleep(1000);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });

        Thread consumerThread = new Thread(() -> {
            try {
                for (int i = 0; i < 5; i++) {
                    int value = queue.take();
                    System.out.println("Consumer removed: " + value);
                    Thread.sleep(2000);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });

        producerThread.start();
        consumerThread.start();
    }
}

在这个示例中，我们将队列的容量设置为3。生产者线程添加元素到队列时，只有在队列有足够空间的情况下才能成功添加。当队列已满时，生产者线程将被阻塞。运行以上代码，我们可以观察到队列满后生产者的阻塞操作。