【死磕 Java 集合】— ArrayBlockingQueue源码分析

作者:彤哥

出处:https://www.cnblogs.com/tong-yuan/


问题

(1)ArrayBlockingQueue的实现方式?

(2)ArrayBlockingQueue是否需要扩容?

(3)ArrayBlockingQueue有什么缺点?

简介

ArrayBlockingQueue是java并发包下一个以数组实现的阻塞队列,它是线程安全的,至于是否需要扩容,请看下面的分析。

队列

队列,是一种线性表,它的特点是先进先出,又叫FIFO,就像我们平常排队一样,先到先得,即先进入队列的人先出队。

源码分析

主要属性

// 使用数组存储元素
final Object[] items;

// 取元素的指针
int takeIndex;

// 放元素的指针
int putIndex;

// 元素数量
int count;

// 保证并发访问的锁
final ReentrantLock lock;

// 非空条件
private final Condition notEmpty;

// 非满条件
private final Condition notFull;

通过属性我们可以得出以下几个重要信息:

(1)利用数组存储元素;

(2)通过放指针和取指针来标记下一次操作的位置;

(3)利用重入锁来保证并发安全;

主要构造方法

public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
    this(capacity, false);
}

public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
    if (capacity <= 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    // 初始化数组
    this.items = new Object[capacity];
    // 创建重入锁及两个条件
    lock = new ReentrantLock(fair);
    notEmpty = lock.newCondition();
    notFull =  lock.newCondition();
}

通过构造方法我们可以得出以下两个结论:

(1)ArrayBlockingQueue初始化时必须传入容量,也就是数组的大小;

(2)可以通过构造方法控制重入锁的类型是公平锁还是非公平锁;

入队

入队有四个方法,它们分别是add(E e)、offer(E e)、put(E e)、offer(E e, long timeout, TimeUnit unit),它们有什么区别呢?

public boolean add(E e) {
    // 调用父类的add(e)方法
    return super.add(e);
}

// super.add(e)
public boolean add(E e) {
    // 调用offer(e)如果成功返回true,如果失败抛出异常
    if (offer(e))
        return true;
    else
        throw new IllegalStateException("Queue full");
}

public boolean offer(E e) {
    // 元素不可为空
    checkNotNull(e);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 加锁
    lock.lock();
    try {
        if (count == items.length)
            // 如果数组满了就返回false
            return false;
        else {
            // 如果数组没满就调用入队方法并返回true
            enqueue(e);
            return true;
        }
    } finally {
        // 解锁
        lock.unlock();
    }
}

public void put(E e) throws InterruptedException {
    checkNotNull(e);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 加锁,如果线程中断了抛出异常
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        // 如果数组满了,使用notFull等待
        // notFull等待的意思是说现在队列满了
        // 只有取走一个元素后,队列才不满
        // 然后唤醒notFull,然后继续现在的逻辑
        // 这里之所以使用while而不是if
        // 是因为有可能多个线程阻塞在lock上
        // 即使唤醒了可能其它线程先一步修改了队列又变成满的了
        // 这时候需要再次等待
        while (count == items.length)
            notFull.await();
        // 入队
        enqueue(e);
    } finally {
        // 解锁
        lock.unlock();
    }
}

public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
    throws InterruptedException {
    checkNotNull(e);
    long nanos = unit.toNanos(timeout);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 加锁
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        // 如果数组满了,就阻塞nanos纳秒
        // 如果唤醒这个线程时依然没有空间且时间到了就返回false
        while (count == items.length) {
            if (nanos <= 0)
                return false;
            nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
        }
        // 入队
        enqueue(e);
        return true;
    } finally {
        // 解锁
        lock.unlock();
    }
}

private void enqueue(E x) {
    final Object[] items = this.items;
    // 把元素直接放在放指针的位置上
    items[putIndex] = x;
    // 如果放指针到数组尽头了,就返回头部
    if (++putIndex == items.length)
        putIndex = 0;
    // 数量加1
    count++;
    // 唤醒notEmpty,因为入队了一个元素,所以肯定不为空了
    notEmpty.signal();
}

(1)add(e)时如果队列满了则抛出异常;

(2)offer(e)时如果队列满了则返回false;

(3)put(e)时如果队列满了则使用notFull等待;

(4)offer(e, timeout, unit)时如果队列满了则等待一段时间后如果队列依然满就返回false;

(5)利用放指针循环使用数组来存储元素;

出队

出队有四个方法,它们分别是remove()、poll()、take()、poll(long timeout, TimeUnit unit),它们有什么区别呢?

public E remove() {
    // 调用poll()方法出队
    E x = poll();
    if (x != null)
        // 如果有元素出队就返回这个元素
        return x;
    else
        // 如果没有元素出队就抛出异常
        throw new NoSuchElementException();
}

public E poll() {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 加锁
    lock.lock();
    try {
        // 如果队列没有元素则返回null,否则出队
        return (count == 0) ? null : dequeue();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 加锁
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        // 如果队列无元素,则阻塞等待在条件notEmpty上
        while (count == 0)
            notEmpty.await();
        // 有元素了再出队
        return dequeue();
    } finally {
        // 解锁
        lock.unlock();
    }
}

public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
    long nanos = unit.toNanos(timeout);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 加锁
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        // 如果队列无元素,则阻塞等待nanos纳秒
        // 如果下一次这个线程获得了锁但队列依然无元素且已超时就返回null
        while (count == 0) {
            if (nanos <= 0)
                return null;
            nanos = notEmpty.awaitNanos(nanos);
        }
        return dequeue();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

private E dequeue() {
    final Object[] items = this.items;
    @SuppressWarnings("unchecked")
    // 取取指针位置的元素
    E x = (E) items[takeIndex];
    // 把取指针位置设为null
    items[takeIndex] = null;
    // 取指针前移,如果数组到头了就返回数组前端循环利用
    if (++takeIndex == items.length)
        takeIndex = 0;
    // 元素数量减1
    count--;
    if (itrs != null)
        itrs.elementDequeued();
    // 唤醒notFull条件
    notFull.signal();
    return x;
}

(1)remove()时如果队列为空则抛出异常;

(2)poll()时如果队列为空则返回null;

(3)take()时如果队列为空则阻塞等待在条件notEmpty上;

(4)poll(timeout, unit)时如果队列为空则阻塞等待一段时间后如果还为空就返回null;

(5)利用取指针循环从数组中取元素;

总结

(1)ArrayBlockingQueue不需要扩容,因为是初始化时指定容量,并循环利用数组;

(2)ArrayBlockingQueue利用takeIndex和putIndex循环利用数组;

(3)入队和出队各定义了四组方法为满足不同的用途;

(4)利用重入锁和两个条件保证并发安全;

彩蛋

(1)论BlockingQueue中的那些方法?

BlockingQueue是所有阻塞队列的顶级接口,它里面定义了一批方法,它们有什么区别呢?

操作 抛出异常 返回特定值 阻塞 超时
入队 add(e) offer(e)——false put(e) offer(e, timeout, unit)
出队 remove() poll()——null take() poll(timeout, unit)
检查 element() peek()——null

(2)ArrayBlockingQueue有哪些缺点呢?

a)队列长度固定且必须在初始化时指定,所以使用之前一定要慎重考虑好容量;

b)如果消费速度跟不上入队速度,则会导致提供者线程一直阻塞,且越阻塞越多,非常危险;

c)只使用了一个锁来控制入队出队,效率较低,那是不是可以借助分段的思想把入队出队分裂成两个锁呢?且听下回分解。

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