Java并发包中的ConcurrentLinkedQueue与LinkedBlockingQueue深度对比

Java并发包中的ConcurrentLinkedQueue与LinkedBlockingQueue深度对比

在Java的并发编程中，队列是一种非常重要的数据结构，它们提供了线程安全的数据共享方式。java.util.concurrent包中提供了多种并发队列，其中ConcurrentLinkedQueue和LinkedBlockingQueue是两个非常常用的队列。虽然它们都实现了线程安全的队列，但在使用方式和性能特性上有很大的不同。本文将详细分析这两个队列的区别。

一、基本特性

ConcurrentLinkedQueue
- 是一个基于链接节点的无界线程安全队列，它采用先进先出（FIFO）的规则对元素进行排序。
- 此队列按照访问顺序进行排序，即最近最少使用的元素位于队尾，而最近最多使用的元素位于队首，以便能够最快速地访问。
- 由于是无界队列，因此可以无限地添加元素，但这可能会导致内存耗尽。
LinkedBlockingQueue
- 是一个基于链接节点的可选有界队列，此队列按 FIFO（先进先出）排序元素。
- 可以指定队列的容量，当队列满时，如果再有新的元素加入，则会阻塞或者抛出异常（取决于你使用的添加方法）。
- 由于是有界队列，因此可以在一定程度上防止内存溢出。

二、并发性能

ConcurrentLinkedQueue
- 使用高效的非阻塞算法进行设计，适用于高并发的场景。
- 在多线程环境下，其性能通常优于LinkedBlockingQueue，因为它避免了锁的使用，从而减少了线程之间的竞争。
- 但是，由于其无界的特性，如果不加以控制，可能会导致内存问题。
LinkedBlockingQueue
- 使用了内部锁（即synchronized）和条件变量来实现阻塞功能，因此在高并发环境下，其性能可能不如ConcurrentLinkedQueue。
- 但是，由于其有界的特性，可以在一定程度上防止内存问题。并且，当队列满或空时，它可以阻塞线程，直到队列非满或非空为止，这对于需要同步的生产者-消费者模型非常有用。

三、使用场景

ConcurrentLinkedQueue
- 适用于需要高并发读写，且对内存使用有充足控制的场景。例如，在搜索引擎、缓存系统等需要快速处理大量并发请求的场景中，ConcurrentLinkedQueue可以提供优秀的性能。
LinkedBlockingQueue
- 适用于需要阻塞操作，且对队列大小有明确限制的场景。例如，在生产者-消费者模型中，如果生产者的生产速度远快于消费者的消费速度，那么使用LinkedBlockingQueue可以防止内存被过快地消耗掉。同时，它也可以用于实现线程池等需要队列支持的功能。

四、操作差异

添加元素
- ConcurrentLinkedQueue 提供了如 offer(), add(), 和非阻塞的 offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) 方法来添加元素。由于它是无界的，add() 和 offer() 方法在功能上基本相同，都不会阻塞。
- LinkedBlockingQueue 同样提供了 offer(), add(), 和阻塞的 put(E e) 方法。但是，当队列已满时，add() 方法会抛出 IllegalStateException，而 put(E e) 方法会阻塞直到有空间可用。
移除元素
- ConcurrentLinkedQueue 提供了 poll(), remove(), 和可带超时的 poll(long timeout, TimeUnit unit) 方法来移除并返回队头元素。由于它是无界的，remove() 和 poll() 在功能上基本相同，但 remove() 在队列为空时会抛出异常。
- LinkedBlockingQueue 提供了类似的 take(), poll(), 和 remove() 方法。其中，take() 方法在队列为空时会阻塞，直到有元素可用。
检查元素
- 两者都提供了 peek() 方法来查看队头元素而不移除它。如果队列为空，peek() 方法返回 null。

五、内存开销

ConcurrentLinkedQueue 由于是无界的，因此需要格外注意内存管理。在高负载情况下，如果不加控制地添加元素，可能会导致 OutOfMemoryError。
LinkedBlockingQueue 由于可以设置最大容量，因此更容易管理内存使用。但是，每个节点都会占用一定的内存，如果节点数量非常多，即使没有达到最大容量，也可能导致较大的内存开销。

六、迭代器和并发修改

ConcurrentLinkedQueue 的迭代器是弱一致性的（weakly consistent）。这意味着它不会抛出 ConcurrentModificationException，并且不一定能反映出队列在迭代过程中发生的所有修改。
LinkedBlockingQueue 的迭代器是快速失败的（fail-fast），如果在迭代过程中队列被并发修改，它将抛出 ConcurrentModificationException。

七、总结与建议

在选择 ConcurrentLinkedQueue 和 LinkedBlockingQueue 时，需要考虑以下因素：