Java并发编程之ArrayBlockingQueue阻塞队列详解

简介

ArrayBlockingQueue是一个用数组实现的有界阻塞队列，此队列按照先进先出（FIFO）的原则对元素进行排序。

ArrayBlockingQueue默认情况下不保证线程公平地访问队列，即阻塞的线程，不一定按阻塞的先后顺序访问队列，非公平性也是为了提高吞吐率。ArrayBlockingQueue有三个构造方法：

// capacity是该阻塞队列的容量大小，该构造方法会调用this(capacity, false)，即默认为非公平访问策略
public ArrayBlockingQueue(int capacity)
// 该方法可以指定访问策略的公平性
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair)
// 该方法除了上述功能，还可以将集合中的元素加入到阻塞队列中
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair, Collection<? extends E> c)

ArrayBlockingQueue源码详解

ArrayBlockingQueue类定义为：

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

该类继承自AbstractQueue抽象类，又实现了BlockingQueue接口，AbstractQueue类提供了对队列操作的基础实现：

public abstract class AbstractQueue<E>
    extends AbstractCollection<E>
    implements Queue<E> {

    protected AbstractQueue() {
    }

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

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

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

BlockingQueue接口是阻塞队列的核心接口，该接口定义了阻塞队列中出队、入队的基本方法：

public interface BlockingQueue<E> extends Queue<E> {
    boolean add(E e);
    boolean offer(E e);
    void put(E e) throws InterruptedException;
    boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException;
    E take() throws InterruptedException;
    E poll(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException;
    int remainingCapacity();
    boolean remove(Object o);
    public boolean contains(Object o);
    int drainTo(Collection<? super E> c);
    int drainTo(Collection<? super E> c, int maxElements);
}

ArrayBlockingQueue类内部通过一个Object数组来保存数据元素，同时通过ReentrantLock和Condition来确保多线程环境下的同步问题。

/** 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;

/** Main lock guarding all access */
final ReentrantLock lock;

/** Condition for waiting takes */
private final Condition notEmpty;

/** Condition for waiting puts */
private final Condition notFull;

items：一个定长数组，保存队列中的元素
takeIndex：ArrayBlockingQueue队首位置
putIndex：ArrayBlockingQueue队尾位置
count：元素个数
lock：ArrayBlockingQueue出队入队都必须获取该锁
notEmpty：出队条件
notFull：入队条件

一般来说，阻塞队列会提供4种方法来进行入队、出队操作：

方法/处理方式	抛出异常	返回特殊值	一直阻塞	超时退出
入队方法	add(e)	offer(e)	put(e)	offer(e,time,unit)
出队方法	remove()	poll()	take()	poll(time,unit)
检查方法	element()	peek()	不可用	不可用

抛出异常：当队列满时，如果再往队列插入元素，会抛出IllegalStateException("Queue full")异常。当队列空时，从队列获取元素会抛出NoSuchElementException异常。

返回特殊值：当往队列插入元素时，会返回元素插入是否成功，成功返回true。从队列获取元素时，如果没有则返回null。

一直阻塞：当队列满时，如果再往队列插入元素，队列会一直阻塞线程，直到队列可用或响应中断退出。当队列空时，从队列获取元素会阻塞线程，直到队列不为空。

超时退出：在阻塞的基础上，加入了超时等待时间。

下面，我们简单看一看ArrayBlockingQueue类的入队出队操作。

入队

我们这边只来分析一下add(E e)方法：

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


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

该方法最终会调用offer(E e)方法，如果方法返回false，则直接抛出IllegalStateException异常。ArrayBlockingQueue类对offer(E e)方法的实现为：

public boolean offer(E e) {
    checkNotNull(e);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 获取独占锁
    lock.lock();
    try {
        // 队列已满
        if (count == items.length)
            return false;
        else {
            // 入队
            enqueue(e);
            return true;
        }
    } finally {
        // 释放独占锁
        lock.unlock();
    }
}

首先检查插入的元素是否为null，若是则抛出NullPointerException异常。否则获取独占锁，获取锁成功后，如果队列已满则直接返回false，否则调用enqueue(E e)方法：

private void enqueue(E x) {
    // assert lock.getHoldCount() == 1;
    // assert items[putIndex] == null;
    // 入队并更新putIndex的值
    final Object[] items = this.items;
    items[putIndex] = x;
    if (++putIndex == items.length)
        putIndex = 0;
    count++;
    // 唤醒阻塞在非空条件上的线程
    notEmpty.signal();
}

出队

我们这边只来分析一下poll()方法：

public E poll() {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 获取独占锁
    lock.lock();
    try {
        return (count == 0) ? null : dequeue();
    } finally {
        // 释放独占锁
        lock.unlock();
    }
}

如果队列为空返回null，否则调用dequeue()获取队列首元素：

private E dequeue() {
    // assert lock.getHoldCount() == 1;
    // assert items[takeIndex] != null;
    final Object[] items = this.items;
    @SuppressWarnings("unchecked")
    // 获取队列首元素并更新takeIndex
    E x = (E) items[takeIndex];
    items[takeIndex] = null;
    if (++takeIndex == items.length)
        takeIndex = 0;
    count--;
    // 更新itrs迭代器
    if (itrs != null)
        itrs.elementDequeued();
    // 唤醒阻塞在非满条件上的线程
    notFull.signal();
    return x;
}

参考资料

方腾飞：《Java并发编程的艺术》