Java 入门指南：Java 并发编程 —— 并发容器 PriorityBlockingQueue
BlockingQueue
BlockingQueue 是Java并发包（java.util.concurrent）中提供的一个阻塞队列接口，它继承自 Queue 接口。
BlockingQueue 中的元素采用 FIFO 的原则，支持多线程环境并发访问，提供了阻塞读取和写入的操作，当前线程在队列满或空的情况下会被阻塞，直到被唤醒或超时。
常用的实现类有：
ArrayBlockingQueue：并发容器 ArrayBlockingQueue 详解LinkedBlockingQueue：并发容器 LinkedBlockingQueue 详解PriorityBlockingQueueSynchronousQueue：并发容器 SynchronousQueue 详解LinkedBlockingDeque：并发容器 LinkedBlockingDeque 详解
等类，它们的实现方式各有不同。
适用场景
BlockingQueue 通常用于一个线程生产对象，而另外一个线程消费这些对象的场景。
![![[BlockingQueue Model.png]]](https://i-blog.csdnimg.cn/direct/0c191a20f0924184968e97717f76af8b.png)
一个线程将会持续生产新对象并将其插入到队列之中，直到队列达到它所能容纳的临界点。
如果该阻塞队列到达了其临界点，生产者线程将会在往里边插入新对象时发生阻塞。它会一直处于阻塞之中，直到消费者线程从队列中拿走一个对象。
消费者线程将会一直从该阻塞队列中拿出对象。如果消费线程尝试去从一个空的队列中提取对象的话，这个消费线程将会处于阻塞之中，直到一个生产线程把一个对象丢进队列。
常用方法
-
put(E e)：将元素 e 插入到队列中，如果队列已满，则会阻塞当前线程，直到队列有空闲空间 -
offer(E e)：将元素 e 插入到队列中，如果队列已满，则返回 false。 -
offer(E element, long timeout, TimeUnit unit)方法是BlockingQueue：在指定的时间内将元素添加到队列中。-
timeout：超时时间，表示在指定的时间内等待队列空间可用。如果超过指定的时间仍然无法将元素添加到队列中，将返回 false。 -
unit：超时时间的单位。
-
-
take()：移除并返回队列头部的元素，如果队列为空，则会阻塞当前线程，直到队列有元素 -
poll()：移除并返回队列头部的元素，如果队列为空，则返回null -
poll(long timeout, TimeUnit unit)：在指定的时间内从队列中检索并移除元素。返回移除的元素。如果超过指定的时间仍然没有可用的元素，将返回 null。 -
peek()：返回队列头部的元素，但不会移除。如果队列为空，则返回null -
size()：返回队列中元素的数量 -
isEmpty()：判断队列是否为空，为空返回 true，否则返回 false -
isFull()：判断队列是否已满，已满返回 true，否则返回 false -
clear()：清空队列中的所有元素
| 行为 | 抛异常 | 返回特定值 | 阻塞 | 超时 | |
|---|---|---|---|---|---|
| 插入 | add(o) | offer(o) | put(o) | offer(o, timeout, timeunit) | |
| 移除 | remove() | poll() | take() | poll(timeout, timeunit) | |
| 检查 | element() | peek() |
-
抛异常: 如果试图的操作无法立即执行，抛一个异常。
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特定值: 如果试图的操作无法立即执行，返回 true / false / null)。
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阻塞: 如果试图的操作无法立即执行，该方法调用将会发生阻塞，直到能够执行。
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超时: 如果试图的操作无法立即执行，该方法调用将会发生阻塞，直到能够执行，但等待时间不会超过给定值。返回一个特定值以告知该操作是否成功(典型的是 true / false)。
若向 BlockingQueue 中插入 null，将会抛出 NullPointerException
死锁问题
需要注意的是，在使用 BlockingQueue 时要注意防止死锁的问题：
-
在队列满之后调用
offer()方法插入元素会返回false，此时不能直接调用put()方法，因为在插入之前还需要获取其它资源，如果在获取资源时一直阻塞在这里，就会发生死锁。 -
为了防止死锁的问题，建议使用
offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)和poll(long timeout, TimeUnit unit)带有超时时间的方法。
PriorityBlockingQueue
PriorityBlockingQueue 是一个无界的并发队列。它使用了和类PriorityQueue 一样的排序规则。
所有插入到 PriorityBlockingQueue 的元素必须实现 java.lang.Comparable 接口。因此该队列中元素的排序就取决于自定义的 Comparable 实现。如果元素没有实现 Comparable 接口并且没有提供自定义的比较器，将会引发 ClassCastException。
PriorityBlockingQueue 对于具有相等优先级(compare() == 0)的元素并不强制任何特定行为。
特点
-
线程安全：
PriorityBlockingQueue是线程安全的，它使用锁（如ReentrantLock）来确保在多线程环境下的数据一致性和操作的原子性。 -
优先级排序：队列中的元素会根据它们的优先级进行排序，默认情况下，元素按照其自然顺序（如果实现了
Comparable接口）进行排序，或者根据构造时提供的Comparator进行排序。 -
阻塞特性：当队列为空时，尝试从队列中取出元素的线程会被阻塞，直到队列中有元素可用；当队列已满（对于无界队列，实际上是系统资源耗尽）时，尝试向队列中添加元素的线程也会被阻塞，或者可以选择非阻塞操作（如
offer方法）。 -
无界扩容：
PriorityBlockingQueue是基于数组实现的，当队列中的元素数量超过当前数组的容量时，它会自动进行扩容操作，以确保能够继续存储新的元素。
扩容问题
PriorityBlockingQueue 并不是一个动态调整容量的队列。它的“无界”特性并不是指它会动态地调整其内部存储的大小，而是指它不会因为容量限制而阻止新的元素被加入队列。相反，它会尽可能多地存储元素，直到耗尽系统的可用内存。
尽管 PriorityBlockingQueue 没有显式的容量限制，但在实际应用中，仍然需要考虑以下几点：
-
内存限制：虽然
PriorityBlockingQueue没有固定的容量限制，但它仍然受到 JVM 的堆内存限制。如果队列中的元素过多，会导致内存不足，最终可能导致OutOfMemoryError。 -
垃圾回收：当队列中的元素被消费后，如果没有其他引用指向这些元素，垃圾回收器会自动回收这些对象所占用的内存。因此，即使队列曾经存储了大量的元素，只要这些元素被消费并且没有其他引用，内存就会被释放。
应用场景
PriorityBlockingQueue 适用于多种场景，包括但不限于：
-
任务调度：在任务调度系统中，可以使用
PriorityBlockingQueue来管理待执行的任务，工作线程可以从中取出优先级最高的任务来执行。 -
资源管理：在资源有限的情况下，可以使用
PriorityBlockingQueue来确定哪些请求或任务应该优先获得资源。 -
并发访问：在多线程环境中，
PriorityBlockingQueue提供了安全的并发访问机制，多个线程可以同时向队列中添加或检索元素。
构造方法
- 创建一个初始容量为 11（默认容量） 的
PriorityBlockingQueue对象。
PriorityBlockingQueue()
- 创建一个初始容量为指定容量的
PriorityBlockingQueue对象。
PriorityBlockingQueue(int capacity)
- 创建一个初始元素集合为指定集合的
PriorityBlockingQueue对象。
PriorityBlockingQueue(Collection<? extends E> collection)
- 创建一个初始容量为指定容量、元素按照指定比较器优先级排序的
PriorityBlockingQueue对象。
PriorityBlockingQueue(int c, Comparator<? super E> comparator)
使用示例
下面是一个使用 PriorityBlockingQueue 的简单示例，展示如何实现一个基于优先级的任务队列：
import java.util.concurrent.PriorityBlockingQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;class Task implements Comparable<Task> {private final int priority;private final String description;public Task(int priority, String description) {this.priority = priority;this.description = description;}public int getPriority() {return priority;}public String getDescription() {return description;}@Overridepublic int compareTo(Task other) {// 优先级数值越小，优先级越高return Integer.compare(this.priority, other.priority);}@Overridepublic String toString() {return "Task{" +"priority=" + priority +", description='" + description + '\'' +'}';}
}public class PriorityBlockingQueueExample {public static void main(String[] args) {// 创建一个 PriorityBlockingQueue 实例PriorityBlockingQueue<Task> taskQueue = new PriorityBlockingQueue<>();// 创建生产者线程Thread producer = new Thread(() -> {try {// 生成不同优先级的任务taskQueue.put(new Task(3, "Medium Priority Task"));taskQueue.put(new Task(1, "High Priority Task"));taskQueue.put(new Task(5, "Low Priority Task"));taskQueue.put(new Task(2, "Normal Priority Task"));System.out.println("所有任务已添加到队列中");} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt(); // 设置线程中断状态System.err.println("生产者线程被中断");}});// 创建消费者线程Thread consumer = new Thread(() -> {while (true) {try {Task task = taskQueue.take();System.out.println("处理任务: " + task);TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1000); // 模拟任务处理时间} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt(); // 设置线程中断状态System.err.println("消费者线程被中断");break; // 终止循环}}});// 启动生产者线程和消费者线程producer.start();consumer.start();// 等待生产者线程结束try {producer.join();} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt(); // 设置线程中断状态System.err.println("主线程被中断");}// 中断消费者线程consumer.interrupt();}
}
示例说明：
- 优先级：在这个例子中，优先级数值越小，优先级越高。因此，优先级为 1 的任务会被首先处理。
- 队列无界：
PriorityBlockingQueue默认是无界的，即没有固定的容量限制。但是，如果队列中的元素数量过大，可能会导致内存溢出。 - 线程中断：在捕获
InterruptedException异常时，需要调用Thread.currentThread().interrupt()来恢复线程的中断状态，以便其他可能依赖中断状态的部分能够正确响应。 - 消费者线程的终止：在生产者线程结束后，通过中断消费者线程来终止其无限循环。这是为了防止消费者线程无限期地运行下去。