队列在多线程中使用

1. 概述：

1.1 队列简介

队列是一种特殊的线性表，特殊之处在于它只允许在表的前端（front）进行删除操作，而在表的后端（rear）进行插入操作，和栈一样，队列是一种操作受限制的线性表。进行插入操作的端称为队尾，进行删除操作的端称为队头。队列中没有元素时，称为空队列。
1.2 队列基本运算：

队列操作 函数 初始条件 操作结果 初始化队列 Init_Queue(q) 队q不存在 构造了一个空队 入队操作 In_Queue(q,x) 队q存在 对已存在的队列q，插入一个元素x到队尾，队发生变化 出队操作 Out_Queue(q,x) 队q存在且非空 删除队首元素，并返回其值，队发生变化 读队头 Front_Queue(q,x) 队q存在且非空 读队头元素，并返回其值，队不变 判队空操作 Empty_Queue(q) 队q存在 若q为空队则返回为1，否则返回为0。

2. 队列在多线程中的使用

队列以一种先进先出的方式管理数据，如果你试图向一个 已经满了的阻塞队列中添加一个元素或者是从一个空的阻塞队列中移除一个元索，将导致线程阻塞．在多线程进行合作时，阻塞队列是很有用的工具。工作者线程可以定期地把中间结果存到阻塞队列中而其他工作者线线程把中间结果取出并在将来修改它们。队列会自动平衡负载。如果第一个线程集运行得比第二个慢，则第二个 线程集在等待结果时就会阻塞。如果第一个线程集运行得快，那么它将等待第二个线程集赶上来。
Java提供的线程安全的Queue可以分为阻塞队列和非阻塞队列，其中阻塞队列的典型例子是BlockingQueue，非阻塞队列的典型例子是ConcurrentLinkedQueue，在实际应用中要根据实际需要选用阻塞队列或者非阻塞队列。

3. 阻塞队列：BlockingQueue

一）BlockingQueue提供的常用方法

操作 可能报异常 返回布尔值 可能阻塞 设定等待时 入队 add(e) offer(e) put(e) offer(e,timeout,unit) 出队 remove() poll() take() poll(timeout, unit) 查看 element() peek() 无 无

从上表可以很明显看出每个方法的作用，这个不用多说。这里强调度的是：
1) add(e) remove() element() 方法不会阻塞线程。当不满足约束条件时，会抛出IllegalStateException异常。例如：当队列被元素填满后，再调用add(e)，则会抛出异常。
2) offer(e) poll() peek() 方法即不会阻塞线程，也不会抛出异常。例如：当队列被元素填满后，再调用offer(e)，则不会插入元素，函数返回false。
3) 要想要实现阻塞功能，需要调用put(e) take() 方法。当不满足约束条件时，会阻塞线程。

二）BlockingQueue接口的具体实现类：

ArrayBlockingQueue，其构造函数必须带一个int参数来指明其大小， LinkedBlockingQueue，若其构造函数带一个规定大小的参数，生成的BlockingQueue有大小限制，若不带大小参数，所生成的BlockingQueue的大小由Integer.MAX_VALUE来决定，PriorityBlockingQueue，其所含对象的排序不是FIFO,而是依据对象的自然排序顺序或者是构造函数的Comparator决定的顺序

4. 非阻塞队列：ConcurrentLinkedQueue

ConcurrentLinkedQueue是一个无锁的并发线程安全的队列。对比锁机制的实现，使用无锁机制的难点在于要充分考虑线程间的协调。简单的说就是多个线程对内部数据结构进行访问时，如果其中一个线程执行的中途因为一些原因出现故障，其他的线程能够检测并帮助完成剩下的操作。这就需要把对数据结构的操作过程精细的划分成多个状态或阶段，考虑每个阶段或状态多线程访问会出现的情况。
ConcurrentLinkedQueue有两个volatile的线程共享变量：head，tail。要保证这个队列的线程安全就是保证对这两个Node的引用的访问（更新，查看）的原子性和可见性，由于volatile本身能够保证可见性，所以就是对其修改的原子性要被保证。
ConcurrentLinkedQueue有两个volatile的线程共享变量：head，tail。要保证这个队列的线程安全就是保证对这两个Node的引用的访问（更新，查看）的原子性和可见性，由于volatile本身能够保证可见性，所以就是对其修改的原子性要被保证
队列总是处于两种状态之一：正常状态（或称静止状态，图 1 和图 3）或中间状态（图 2）。在插入操作之前和第二个 CAS（D）成功之后，队列处在静止状态；在第一个 CAS（C）成功之后，队列处在中间状态。在静止状态时，尾指针指向的链接节点的 next 字段总为 null，而在中间状态时，这个字段为非 null。任何线程通过比较 tail.next 是否为 null，就可以判断出队列的状态，这是让线程可以帮助其他线程 “完成” 操作的关键

插入操作在插入新元素（A）之前，先检查队列是否处在中间状态。如果是在中间状态，那么肯定有其他线程已经处在元素插入的中途，在步骤（C）和（D）之间。不必等候其他线程完成，当前线程就可以“帮助” 它完成操作，把尾指针向前移动（B）。如果有必要，它还会继续检查尾指针并向前移动指针，直到队列处于静止状态，这时它就可以开始自己的插入了。
第一个 CAS（C）可能因为两个线程竞争访问队列当前的最后一个元素而失败；在这种情况下，没有发生修改，失去 CAS 的线程会重新装入尾指针并再次尝试。如果第二个 CAS（D）失败，插入线程不需要重试 —— 因为其他线程已经在步骤（B）中替它完成了这个操作！

上图显示的是：处在插入中间状态的队列，在新元素插入之后，尾指针更新之前

上图显示的是：在尾指针更新后，队列重新处在静止状态