BlockingQueue及其实现

作者tangzhanhong

一、前言

BlockingQueue即阻塞队列，它是基于ReentrantLock，依据它的基本原理，我们可以实现Web中的长连接聊天功能，当然其最常用的还是用于实现生产者与消费者模式，大致如下图所示：

在Java中，BlockingQueue是一个接口，它的实现类有：

ArrayBlockingQueue、DelayQueue、 LinkedBlockingDeque、LinkedBlockingQueue、PriorityBlockingQueue、SynchronousQueue等，它们的区别主要体现在存储结构上或对元素操作上的不同，但是对于take与put操作的原理，却是类似的。

二、阻塞与非阻塞

1、入队

offer(E e)：如果队列没满，立即返回true； 如果队列满了，立即返回false–>不阻塞

put(E e)：如果队列满了，一直阻塞，直到队列不满了或者线程被中断–>阻塞

offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)：在队尾插入一个元素,，如果队列已满，则进入等待，直到出现以下三种情况：–>阻塞

  • 被唤醒
  • 等待时间超时
  • 当前线程被中断

2、出队

poll()：如果没有元素，直接返回null；如果有元素，出队

take()：如果队列空了，一直阻塞，直到队列不为空或者线程被中断–>阻塞

poll(long timeout, TimeUnit unit)：如果队列不空，出队；如果队列已空且已经超时，返回null；如果队列已空且时间未超时，则进入等待，直到出现以下三种情况：

  • 被唤醒
  • 等待时间超时
  • 当前线程被中断

三、LinkedBlockingQueue 源码分析

LinkedBlockingQueue是一个基于链表实现的可选容量的阻塞队列。队头的元素是插入时间最长的，队尾的元素是最新插入的。新的元素将会被插入到队列的尾部。

LinkedBlockingQueue的容量限制是可选的，如果在初始化时没有指定容量，那么默认使用int的最大值作为队列容量。

1、底层数据结构

LinkedBlockingQueue内部是使用链表实现一个队列的，但是却有别于一般的队列，在于该队列至少有一个节点，头节点不含有元素。结构图如下：

2、原理

LinkedBlockingQueue中维持两把锁，一把锁用于入队，一把锁用于出队，这也就意味着，同一时刻，只能有一个线程执行入队，其余执行入队的线程将会被阻塞；同时，可以有另一个线程执行出队，其余执行出队的线程将会被阻塞。换句话说，虽然入队和出队两个操作同时均只能有一个线程操作，但是可以一个入队线程和一个出队线程共同执行，也就意味着可能同时有两个线程在操作队列，那么为了维持线程安全，LinkedBlockingQueue使用一个AtomicInterger类型的变量表示当前队列中含有的元素个数，所以可以确保两个线程之间操作底层队列是线程安全的。

3、源码分析

LinkedBlockingQueue可以指定容量，内部维持一个队列，所以有一个头节点head和一个尾节点last，内部维持两把锁，一个用于入队，一个用于出队，还有锁关联的Condition对象。主要对象的定义如下：

//容量，如果没有指定，该值为Integer.MAX_VALUE;
private final int capacity;
//当前队列中的元素
private final AtomicInteger count =new AtomicInteger();
//队列头节点，始终满足head.item==null
transient Node head;
//队列的尾节点，始终满足last.next==null
private transient Node last;
//用于出队的锁
private final ReentrantLock takeLock =new ReentrantLock();
//当队列为空时，保存执行出队的线程
private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();
//用于入队的锁
private final ReentrantLock putLock =new ReentrantLock();
//当队列满时，保存执行入队的线程
private final Condition notFull = putLock.newCondition();

（1）、put(E e)方法

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;
    //获得入队的锁
    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.
         */
        //如果队列已满，那么将该线程加入到Condition的等待队列中
        while (count.get() == capacity) {
            notFull.await();
        }
        //将节点入队
        enqueue(node);
        //得到插入之前队列的元素个数
        c = count.getAndIncrement();
        //如果还可以插入元素，那么释放等待的入队线程
        if (c + 1 < capacity)
            notFull.signal();
    } finally {
        putLock.unlock();
    }
    if (c == 0)
        //通知出队线程队列非空
        signalNotEmpty();
}

put方法总结：

1. LinkedBlockingQueue不允许元素为null。

2. 同一时刻，只能有一个线程执行入队操作，因为putLock在将元素插入到队列尾部时加锁了。

3. 如果队列满了，那么将会调用notFull的await()方法将该线程加入到Condition等待队列中。await()方法就会释放线程占有的锁，这将导致之前由于被锁阻塞的入队线程将会获取到锁，执行到while循环处，不过可能因为由于队列仍旧是满的，也被加入到条件队列中。

4. 一旦一个出队线程取走了一个元素，并通知了入队等待队列中可以释放线程了，那么第一个加入到Condition队列中的将会被释放，那么该线程将会重新获得put锁，继而执行enqueue()方法，将节点插入到队列的尾部。

5. 然后得到插入一个节点之前的元素个数，如果队列中还有空间可以插入，那么就通知notFull条件的等待队列中的线程。

6. 通知出队线程队列为空了，因为插入一个元素之前的个数为0，而插入一个之后队列中的元素就从无变成了有，就可以通知因队列为空而阻塞的出队线程了。

（2）、E take()方法

take()方法用于得到队头的元素，在队列为空时会阻塞，知道队列中有元素可取。其实现如下：

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;
}

take方法总结:

当队列为空时，就加入到notEmpty(的条件等待队列中，当队列不为空时就取走一个元素，当取完发现还有元素可取时，再通知一下自己的伙伴（等待在条件队列中的线程）；最后，如果队列从满到非满，通知一下put线程。

（3）、remove()方法

remove()方法用于删除队列中一个元素，如果队列中不含有该元素，那么返回false；有的话则删除并返回true。入队和出队都是只获取一个锁，而remove()方法需要同时获得两把锁，其实现如下：

public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) return false;
    fullyLock();
    try {
        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();
    }
}

void fullyLock() {
    putLock.lock();
    takeLock.lock();
}

LinkedBlockingQueue总结:

LinkedBlockingQueue是允许两个线程同时在两端进行入队或出队的操作的，但一端同时只能有一个线程进行操作，这是通过两把锁来区分的；

为了维持底部数据的统一，引入了AtomicInteger的一个count变量，表示队列中元素的个数。count只能在两个地方变化，一个是入队的方法（可以+1），另一个是出队的方法（可以-1），而AtomicInteger是原子安全的，所以也就确保了底层队列的数据同步。

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