LinkedBlockingQueue 和 ConcurrentLinkedQueue的區別

2020 年 8 月 19 日
筆記
JAVA, microservice, spring, Spring Boot, SpringMVC, 微服務

1. 簡單的開篇

LinkedBlockingQueue 和 ConcurrentLinkedQueue 是 Java 高並發場景中最常使用的隊列。儘管這兩個隊列經常被用作並發場景的數據結構，但它們之間仍有細微的特徵和行為差異。
在這篇文章中，我將和大家一起探討這兩者之間的異同點。歡迎大家在留言討論~

2. LinkedBlockingQueue

首先 LinkedBlockingQueue 是一個「可選且有界」的阻塞隊列實現，你可以根據需要指定隊列的大小。
接下來，我將創建一個LinkedBlockingQueue，它最多可以包含100個元素：

BlockingQueue<Integer> boundedQueue = new LinkedBlockingQueue<>(100);

當然，我們也可以通過不指定大小，來創建一個無界的 LinkedBlockingQueue：

BlockingQueue<Integer> unboundedQueue = new LinkedBlockingQueue<>();

無界隊列表示在創建時未指定隊列的大小。因此，隊列可以隨著元素的添加而動態增長。但是，如果沒有剩餘記憶體，則隊列將拋出 java.lang.OutOfMemory 錯誤。

這裡留下一個問題給大家思考：創建無界隊列是好還是壞呢?

我們還可以從現有的集合來創建 LinkedBlockingQueue：

Collection<Integer> listOfNumbers = Arrays.asList(1,2,3,4,5);
BlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<>(listOfNumbers);

LinkedBlockingQueue 實現了BlockingQueue介面，該介面為它提供了阻塞性質。

阻塞隊列表示如果訪問執行緒已滿（當隊列有界時）或變為空，則隊列將阻塞該執行緒。如果隊列已滿，則添加新元素將阻塞訪問執行緒，除非新元素有可用空間。類似地，如果隊列為空，則訪問元素會阻塞調用執行緒：

ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(1);
LinkedBlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<>();
executorService.submit(() -> {
  try {
    queue.take();
  } 
  catch (InterruptedException e) {
    // exception handling
  }
});

在上面的程式碼片段中，我們正在訪問一個空隊列。因此，take() 方法阻塞調用執行緒。

LinkedBlockingQueue 的阻塞特性與一些開銷相關。這個代價是因為每個put或take操作在生產者執行緒或使用者執行緒之間都是鎖爭用的。因此，在許多生產者和消費者的情況下，put和take 動作可能會慢一些。

3. ConcurrentLinkedQueue

首先聲明，ConcurrentLinkedQueue 是一個無邊界、執行緒安全且無阻塞的隊列

創建一個空的 ConcurrentLinkedQueue:

ConcurrentLinkedQueue queue = new ConcurrentLinkedQueue();

同上面一樣，我們也可以從現有集合創建 ConcurrentLinkedQueue：

Collection<Integer> listOfNumbers = Arrays.asList(1,2,3,4,5);
ConcurrentLinkedQueue<Integer> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>(listOfNumbers);

不同於 LinkedBlockingQueue， ConcurrentLinkedQueue是非阻塞的隊列。因此，即使隊列為空(empty)，它也不會阻塞執行緒。相反，它會返回空（null）。雖然它是無界的，但如果沒有額外的記憶體來添加新元素，它依舊會拋出 java.lang.OutOfMemory 錯誤。
除了非阻塞之外，ConcurrentLinkedQueue還有其他特性。
在任何生產者-消費者場景中，消費者都不會滿足於生產者；但是，多個生產者將相互競爭：

int element = 1;
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(2);
ConcurrentLinkedQueue<Integer> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();
 
Runnable offerTask = () -> queue.offer(element);
 
Callable<Integer> pollTask = () -> {
  while (queue.peek() != null) {
    return queue.poll().intValue();
  }
  return null;
};
 
executorService.submit(offerTask);
Future<Integer> returnedElement = executorService.submit(pollTask);
assertThat(returnedElement.get().intValue(), is(equalTo(element)));

第一個任務 offerTask 向隊列中添加元素，第二個任務 pollTask 從隊列中檢索元素。pollTask 首先檢查隊列中的元素，因為ConcurrentLinkedQueue是非阻塞的，並且可以返回null值。

4. 求同

LinkedBlockingQueue 和 ConcurrentLinkedQueue 都是隊列實現，並具有一些共同特徵。讓我們討論一下這兩個隊列的相似之處：

都 實現 Queue 介面
它們都使用 linked nodes 存儲節點
都適用於並發訪問場景

5. 存異

儘管這兩種隊列都有某些相似之處，但也有一些實質性的特徵差異：

特性	LinkedBlockingQueue	ConcurrentLinkedQueue
阻塞性	阻塞隊列，並實現blocking queue介面	非阻塞隊列，不實現blocking queue介面
隊列大小	可選的有界隊列，這意味著可以在創建期間定義隊列大小	無邊界隊列，並且沒有在創建期間指定隊列大小的規定
鎖特性	基於鎖的隊列	無鎖隊列
演算法	鎖的實現基於「雙鎖隊列（two lock queue）」演算法	依賴於Michael&Scott演算法來實現無阻塞、無鎖隊列
實現	在雙鎖隊列演算法機制中，LinkedBlockingQueue使用兩種不同的鎖，putLock和takeLock。put/take操作使用第一個鎖類型，take/poll操作使用另一個鎖類型	使用CAS（Compare And Swap）進行操作
阻塞行為	當隊列為空時，它會阻塞訪問執行緒	當隊列為空時返回 null，它不會阻塞訪問執行緒

6. 總結才能進步

首先，我們分別討論了這兩種隊列實現及其一些特性、相似性、以及它們之間的差異。這樣的比較，是否讓你對這兩種隊列有了更深刻的印象？

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