阻塞队列-ArrayBlockingQueue

一、介绍

ArrayBlockingQueue是最典型的有界阻塞队列,其内部是用数组存储元素的,初始化时需要指定容量大小,利用 ReentrantLock 实现线程安全。

在生产者-消费者模型中使用时,如果生产速度和消费速度基本匹配的情况下,使用ArrayBlockingQueue是个不错选择;当如果生产速度远远大于消费速度,则会导致队列填满,大量生产线程被阻塞。

使用独占锁ReentrantLock实现线程安全,入队和出队操作使用同一个锁对象,也就是只能有一个线程可以进行入队或者出队操作;这也就意味着生产者和消费者无法并行操作,在高并发场景下会成为性能瓶颈

1.1 ArrayBlockingQueue 重要的方法

  • add(E e):把 e 加到 BlockingQueue 里,即如果 BlockingQueue 可以容纳,则返回 true,否则报异常

  • offer(E e):表示如果可能的话,将 e 加到 BlockingQueue 里,即如果 BlockingQueue 可以容纳,则返回 true,否则返回 false

  • put(E e):把 e 加到 BlockingQueue 里,如果 BlockQueue 没有空间,则调用此方法的线程被阻断直到 BlockingQueue 里面有空间再继续

  • poll(time):取走 BlockingQueue 里排在首位的对象,若不能立即取出,则可以等 time 参数规定的时间,取不到时返回 null

  • take():取走 BlockingQueue 里排在首位的对象,若 BlockingQueue 为空,阻断进入等待状态直到 Blocking 有新的对象被加入为止

  • remainingCapacity():剩余可用的大小。等于初始容量减去当前的 size

1.2 ArrayBlockingQueue 使用场景。

  • 先进先出队列(队列头的是最先进队的元素;队列尾的是最后进队的元素)

  • 有界队列(即初始化时指定的容量,就是队列最大的容量,不会出现扩容,容量满,则阻塞进队操作;容量空,则阻塞出队操作)

  • 队列不支持空元素

二、 ArrayBlockingQueue的原理

2.1 数据结构

利用了Lock锁的Condition通知机制进行阻塞控制。

核心:一把锁,两个条件

//数据元素数组
final Object[] items;
//下一个待取出元素索引
int takeIndex;
//下一个待添加元素索引
int putIndex;
//元素个数
int count;
//内部锁
final ReentrantLock lock;
//消费者
private final Condition notEmpty;
//生产者
private final Condition notFull;  

public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
    this(capacity, false);
}
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
    ...
    lock = new ReentrantLock(fair); //公平,非公平
    notEmpty = lock.newCondition();
    notFull =  lock.newCondition();
}

2.2 入队put方法

public void put(E e) throws InterruptedException {
    //检查是否为空
    checkNotNull(e);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    //加锁,如果线程中断抛出异常 
    lock.lockInterruptibly();
    try {
       //阻塞队列已满,则将生产者挂起,等待消费者唤醒
       //设计注意点: 用while不用if是为了防止虚假唤醒
        while (count == items.length)
            notFull.await(); //队列满了,使用notFull等待(生产者阻塞)
        // 入队
        enqueue(e);
    } finally {
        lock.unlock(); // 唤醒消费者线程
    }
}
    
private void enqueue(E x) {
    final Object[] items = this.items;
    //入队   使用的putIndex
    items[putIndex] = x;
    if (++putIndex == items.length) 
        putIndex = 0;  //设计的精髓: 环形数组,putIndex指针到数组尽头了,返回头部
    count++;
    //notEmpty条件队列转同步队列,准备唤醒消费者线程,因为入队了一个元素,肯定不为空了
    notEmpty.signal();
}

存储的逻辑还是挺简单的

  1. 通过对put方法加锁保证线程的安全

  1. 判断队列的情况,如果满了则等待,没满则入队

  1. 入队后,通知队列的notEmpty,表示队列不会为空

2.3 出队take方法

public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    //加锁,如果线程中断抛出异常 
    lock.lockInterruptibly();
    try {
       //如果队列为空,则消费者挂起
        while (count == 0)
            notEmpty.await();
        //出队
        return dequeue();
    } finally {
        lock.unlock();// 唤醒生产者线程
    }
}
private E dequeue() {
    final Object[] items = this.items;
    @SuppressWarnings("unchecked")
    E x = (E) items[takeIndex]; //取出takeIndex位置的元素
    items[takeIndex] = null;
    if (++takeIndex == items.length)
        takeIndex = 0; //设计的精髓: 环形数组,takeIndex 指针到数组尽头了,返回头部
    count--;
    if (itrs != null)
        itrs.elementDequeued();
    //notFull条件队列转同步队列,准备唤醒生产者线程,此时队列有空位
    notFull.signal();
    return x;
}

获取的逻辑基本和存储的逻辑反过来:

  • 通过对take方法加锁保证线程的安全

  • 判断队列的情况,如果没元素则等待,如果有元素则出队

  • 出队后,通知队列的notFull,表示队列不会溢满

这里穿插下ReentrantLock的lock和lockInterruptibly的区别

  • 当线程有可能被其他线程中断时,lock方法会忽略中断请求,继续获取锁直到成功

  • 当线程有可能被其他线程中断时,lockInterruptibly方法则直接抛出中断异常来立即响应中断

三、总结

  1. 有界阻塞队列,先进先出,存取相互排斥

  1. 数据结构:静态数组(容量固定须指定长度,没有扩容机制,没有元素的位置也占用空间,被null占位)

  1. ReentrantLock锁保证互斥性:存取都是同一把锁,操作的是同一个数组对象,存取相互排斥

  1. 阻塞对象(notEmpty【出队:队列count=0,无元素可取时,阻塞在该对象上】,notFull【入队:队列count=length,放不进元素时,阻塞在该对象上】)

  1. 入队,从队首开始添加元素,记录putIndex(到队尾时设置为0),唤醒notEmpty

  1. 出队,从队首开始添加元素,记录takeIndex(到队尾时设置为0),唤醒notFull

  1. 两个指针都是从队首向队尾移动,保证队列的先进先出原则亮点:利用指针和数组,形成环状结构,重复利用内存空间

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