BlockingQueue

[Jimmy2Angel]

首先先介绍一下 Queue、AbstractQueue等接口和类。

Queue

该接口针对添加元素、移除元素、获取第一个元素各有两个方法：

1. 添加元素：
   • add(E e) 当队列为满时前者会抛出 IllegalStateException
   • offer(E e) 当队列为满时前者会返回 false
2. 移除元素
   • remove(E e) 当队列为空时前者会抛出 NoSuchElementException
   • poll(E e) 当队列为空时前者会返回 null
3. 获取第一个元素：
   • element( ) 当队列为空时前者会抛出 NoSuchElementException
   • peek( ) 当队列为空时前者会返回 null

BlockingQueue

该接口实现了 Queue 接口，针对添加元素、移除元素各有两个方法

1. 添加元素：

   一直等待:

   void put(E e) throws InterruptedException;

   超时等待:

   boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
           throws InterruptedException;

2. 移除元素：

   一直等待:

   E take() throws InterruptedException;

   超时等待:

   E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

3. ​

AbstractQueue

add(E e)

public boolean add(E e) {
    if (offer(e))
        return true;
    else
        throw new IllegalStateException("Queue full");
}

remove()

public E remove() {
    E x = poll();
    if (x != null)
        return x;
    else
        throw new NoSuchElementException();
}

element()

public E element() {
    E x = peek();
    if (x != null)
        return x;
    else
        throw new NoSuchElementException();
}

ArrayBlockingQueue

简介

继承体系为：

public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
        implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable

拥有的变量如下：

/** The queued items */
final Object[] items;
 
/** items index for next take, poll, peek or remove */
int takeIndex;
 
/** items index for next put, offer, or add */
int putIndex;
 
/** Number of elements in the queue */
int count;
 
/*
* Concurrency control uses the classic two-condition algorithm
* found in any textbook.
*/
 
/** Main lock guarding all access */
final ReentrantLock lock;
 
/** Condition for waiting takes */
private final Condition notEmpty;
 
/** Condition for waiting puts */
private final Condition notFull;
 
/**
* Shared state for currently active iterators, or null if there
* are known not to be any.  Allows queue operations to update
* iterator state.
*/
transient Itrs itrs = null;

线程安全实现

线程安全主要是通过可重入锁 ReentrantLock 来实现的。

add(E e)

public boolean add(E e) {
    return super.add(e);
}

offer(E e)

public boolean offer(E e) {
    checkNotNull(e);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 获取锁
    lock.lock();
    try {
        // 如果队列已满返回 false
        if (count == items.length)
            return false;
        else {
            // 添加元素
            enqueue(e);
            return true;
        }
    } finally {
        // 释放锁
        lock.unlock();
    }
}

enqueue(E e)

private void enqueue(E x) {
    // assert lock.getHoldCount() == 1;
    // assert items[putIndex] == null;
    final Object[] items = this.items;
    items[putIndex] = x;
    if (++putIndex == items.length)
        putIndex = 0;
    count++;
    // 类似于notify()
    notEmpty.signal();
}

poll()

public E poll() {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        return (count == 0) ? null : dequeue();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

dequeue()

private E dequeue() {
    // assert lock.getHoldCount() == 1;
    // assert items[takeIndex] != null;
    final Object[] items = this.items;
    @SuppressWarnings("unchecked")
    E x = (E) items[takeIndex];
    items[takeIndex] = null;
    if (++takeIndex == items.length)
        takeIndex = 0;
    count--;
    if (itrs != null)
        itrs.elementDequeued();
    notFull.signal();
    return x;
}

阻塞

阻塞是基于 Condition 接口实现的。Condition 拥有类似的操作：await／signal。Condition 和一个 Lock 相关，由lock.newCondition() 来创建。只有当前线程获取了这把锁，才能调用 Condition 的 await 方法来等待通知，否则会抛出异常。

put(E e)

public void put(E e) throws InterruptedException {
    checkNotNull(e);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        while (count == items.length)
            // 如果队列已满，则阻塞等待队列移除元素
            notFull.await();
        // 该方法中包含移除元素发生阻塞时需要 notEmpty.signal()
        enqueue(e);
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

• 实现阻塞的关键就是就是这个 notFull 的 Condition，当队列已满，await 方法会阻塞当前线程，并且释放Lock，等待其他线程调用 notFull 的 signal 来唤醒这个阻塞的线程。那么这个操作必然会在拿走元素的操作中出现，这样一旦有元素被拿走，阻塞的线程就会被唤醒。
• 发出 signal 的线程肯定拥有这把锁的，因此 await 方法所在的线程肯定是拿不到这把锁的，await 方法不能立刻返回，需要尝试获取锁直到拥有了锁才可以从 await 方法中返回。

take()

同样对于take方法会有一个 notEmpty 的 Condition。

public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        while (count == 0)
            // 如果队列为空，则阻塞等待队列添加一个元素
            notEmpty.await();
        // 该方法中包含移除元素发生阻塞时需要 notFull.signal()
        return dequeue();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

总结

• 线程安全是基于可重入锁 ReentrantLock 实现的。
• 阻塞是基于 Condition 的 await／signal 实现的。

LinkedBlockingQueue

简介

LinkedBlockingQueue 是使用一个链表来实现，拥有一个内部类 Node 其中 Node 结构如下：

/**
* Linked list node class
*/
static class Node<E> {
    E item;
     
    /**
    * One of:
    * - the real successor Node
    * - this Node, meaning the successor is head.next
    * - null, meaning there is no successor (this is the last node)
    */
    Node<E> next;
     
    Node(E x) { item = x; }
}

拥有成员变量如下，其中包括一个 head 节点（item 为 null，next 节点才是first 节点）和一个 last 节点（next 节点为 null），然后还包括两个锁：takeLock 和 putLock

/** The capacity bound, or Integer.MAX_VALUE if none */
private final int capacity;
 
/** Current number of elements */
private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();
 
/**
* Head of linked list.
* Invariant: head.item == null
*/
transient Node<E> head;
 
/**
* Tail of linked list.
* Invariant: last.next == null
*/
private transient Node<E> last;
 
/** Lock held by take, poll, etc */
private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();
 
/** Wait queue for waiting takes */
private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();
 
/** Lock held by put, offer, etc */
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();
 
/** Wait queue for waiting puts */
private final Condition notFull = putLock.newCondition();

方法解析

offer(E e)

源码如下，另外还有一个重载方法 offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)，在队列已满的时候，进行超时阻塞。

public boolean offer(E e) {
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    final AtomicInteger count = this.count;
    // 队列已满则返回 false
    if (count.get() == capacity)
        return false;
    int c = -1;
    // 根据待添加元素 e 创建一个 node 节点
    Node<E> node = new Node<E>(e);
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    putLock.lock();
    try {
        if (count.get() < capacity) {
            // 将 last 节点的 next 设置为 node 节点 ，然后将 node 节点设置为 last 节点
            enqueue(node);
            c = count.getAndIncrement();
            // 如果添加该元素后队列还未满，则调用 notFull.signal() 方法，即唤醒添加元素时由于队列已满导致阻塞的线程
            if (c + 1 < capacity)
                notFull.signal();
        }
    } finally {
        putLock.unlock();
    }
    if (c == 0)
    // 一个获取 takeLock、notEmpty.signal()、释放 takeLock 操作过程。也就是通知其他线程可以移除元素了。
        signalNotEmpty();
    return c >= 0;
}

enqueue(Node e)

private void enqueue(Node<E> node) {
    // assert putLock.isHeldByCurrentThread();
    // assert last.next == null;
    last = last.next = node;
}

poll()

和 offer(E e) 方法类似，除此之外也提供了一个重载方法 poll(long timeout, TimeUnit unit)，在队列为空的时候，进行超时阻塞。

public E poll() {
    final AtomicInteger count = this.count;
    // 队列为空则返回 null
    if (count.get() == 0)
        return null;
    E x = null;
    int c = -1;
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    takeLock.lock();
    try {
        if (count.get() > 0) {
            // 获取 first 节点的 item，然后设置为 head 节点(first.item = null)
            x = dequeue();
            c = count.getAndDecrement();
            // 如果移除元素后队列不为空，则唤醒移除元素时由于队列为空导致阻塞的线程
            if (c > 1)
                notEmpty.signal();
        }
    } finally {
        takeLock.unlock();
    }
    // 一个获取 putLock、notFull.signal()、释放 putLock 操作过程。也就是通知其他线程可以添加元素了。
    if (c == capacity)
        signalNotFull();
    return x;
}

dequeue()

private E dequeue() {
    // assert takeLock.isHeldByCurrentThread();
    // assert head.item == null;
    Node<E> h = head;
    Node<E> first = h.next;
    h.next = h; // help GC
    head = first;
    E x = first.item;
    first.item = null;
    return x;
}

put(E e)

public void put(E e) throws InterruptedException {
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    // Note: convention in all put/take/etc is to preset local var
    // holding count negative to indicate failure unless set.
    int c = -1;
    Node<E> node = new Node<E>(e);
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    final AtomicInteger count = this.count;
    putLock.lockInterruptibly();
    try {
        /*
        * Note that count is used in wait guard even though it is
        * not protected by lock. This works because count can
        * only decrease at this point (all other puts are shut
        * out by lock), and we (or some other waiting put) are
        * signalled if it ever changes from capacity. Similarly
        * for all other uses of count in other wait guards.
        */
        while (count.get() == capacity) {
            notFull.await();
        }
        enqueue(node);
        c = count.getAndIncrement();
        if (c + 1 < capacity)
            notFull.signal();
    } finally {
        putLock.unlock();
    }
    if (c == 0)
        signalNotEmpty();
}

take()

public E take() throws InterruptedException {
    E x;
    int c = -1;
    final AtomicInteger count = this.count;
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    takeLock.lockInterruptibly();
    try {
        while (count.get() == 0) {
            notEmpty.await();
        }
        x = dequeue();
        c = count.getAndDecrement();
        if (c > 1)
            notEmpty.signal();
    } finally {
        takeLock.unlock();
    }
    if (c == capacity)
        signalNotFull();
    return x;
}

remove(Object o)

因为需要操作整个链表，因此需要同时拥有两个锁才能操作。

public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) return false;
    // putLock.lock(); takeLock.lock();
    fullyLock();
    try {
        // 遍历查找
        for (Node<E> trail = head, p = trail.next;
            p != null;
            trail = p, p = p.next) {
            if (o.equals(p.item)) {
                unlink(p, trail);
                return true;
            }
        }
        return false;
    } finally {
        fullyUnlock();
    }
}

contains(Object o)

因为需要操作整个链表，因此需要同时拥有两个锁才能操作。

public boolean contains(Object o) {
    if (o == null) return false;
    // putLock.lock(); takeLock.lock();
    fullyLock();
    try {
        // 遍历查找
        for (Node<E> p = head.next; p != null; p = p.next)
        if (o.equals(p.item))
            return true;
        return false;
    } finally {
        fullyUnlock();
    }
}

总结

• 底层是基于链表实现的。
• 拥有两个锁：putLock 和 takeLock。分别对应添加和移除元素操作。
• 与 putLock 和 takeLock 相对应的两个 condition 分别为 notFull 和 notEmpty。
• offer(E e) 方法在队列已满的时候返回 false，put(E e) 方法在队列已满的时候阻塞。
• poll() 方法在队列为空的时候返回 null，take() 方法在队列为空的时候阻塞。
• remove(Object o) 和 contains(Object o) ，因为需要操作整个链表，因此需要同时拥有两个锁才能操作。