作者简介：大家好，我是smart哥，前中兴通讯、美团架构师，现某互联网公司CTO
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很多Java新手都对ReentrantLock、阻塞队列以及等待唤醒机制十分感兴趣，于是一头扎进源码，想要吃透个中细节，却最终迷失方向什么都没学到。其实，从某个角度而言，ReentrantLock、阻塞队列、等待唤醒、AQS都是同一个东西，或者说它们被用来解决同一个问题：线程间通信。所以，本文打算从线程间通信讲起，由浅入深地介绍阻塞队列。后面如果有时间，还可以聊聊AQS及ReentrantLock。
ThreadPoolExecutor = 线程池 + 阻塞队列，本文是为了下一篇线程池做铺垫。
什么是线程间通信
定义：
针对同一个资源的操作有不同种类的线程。
说人话就是：共享资源+多线程，最典型的例子就是锁和生产者消费者（关于锁，后面有专门的章节介绍，这里以生产者-消费者为例子讲解）。
以现实生活为例。消费者和生产者就像两个线程，原本做着各自的事情，厂家管自己生产，消费者管自己买，一般情况下彼此互不影响。
但当物资到达某个临界点时，就需要根据供需关系适当作出调整。
- 当厂家做了一大堆东西，产能过剩时，应该暂停生产，扩大宣传，让消费者过来消费
- 当消费者发现某个热销商品售罄，应该提醒厂家尽快生产
在上面的案例中，生产者和消费者是不同种类的线程，一个负责存入，另一个负责取出，且它们操作的是同一个资源。但最难的部分在于：
- 资源到达上限时，生产者等待，消费者消费
- 资源达到下限时，生产者生产，消费者等待
你会发现，原本互不打扰的两个线程之间开始“沟通”了：
- 生产者：喂，我这边做的太多了，先休息会儿，你赶紧消费
- 消费者：喂，货快没了，我休息会儿，你赶紧生产
这种线程间的相互调度，也就是线程间通信。
看到这，你心里暗暗想道：我擦，我只会new Thread().start()，怎么让A线程去喊B线程工作呢？
实现线程间通信
还是以上面的生产者-消费者为例，有很多种方式可以实现线程间通信。
轮询
设计理念：生产者和消费者线程各自使用while循环，每隔片刻就去判断Queue的状态，队列为空时生产者才可插入数据，队列不为空时消费者才能取出数据，否则一律sleep等待。
/**
* 轮询版本
*/
public class WhileQueue<T> {
// 容器，用来装东西
private final LinkedList<T> queue = new LinkedList<>();
public void put(T resource) throws InterruptedException {
while (queue.size() >= 1) {
// 队列满了，不能再塞东西了，轮询等待消费者取出数据
System.out.println("生产者：队列已满，无法插入...");
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1000);
}
System.out.println("生产者：插入" + resource + "!!!");
queue.addFirst(resource);
}
public void take() throws InterruptedException {
while (queue.size() <= 0) {
// 队列空了，不能再取东西，轮询等待生产者插入数据
System.out.println("消费者：队列为空，无法取出...");
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1000);
}
System.out.println("消费者：取出消息!!!");
queue.removeLast();
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(5000);
}
}测试：
public class Test {
public static void main(String[] args) {
// 队列
WhileQueue<String> queue = new WhileQueue<>();
// 生产者
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
try {
queue.put("消息" + i);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}).start();
// 消费者
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
try {
queue.take();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}).start();
}
}
由于设定了队列最多只能存1个消息，所以只有当队列为空时，生产者才能插入数据。这是最简单的线程间通信：
多个线程不断轮询共享资源，通过共享资源的状态判断自己下一步该做什么。
看到这，你发现自己被骗了：哦，原来要实现线程间通信，并非真的需要A线程直接去叫B线程干什么，不同线程通过共享变量即可完成通信！
但上面的实现方式存在一些缺点：
- 轮询的方式太耗费CPU资源，如果线程过多，比如几百上千个线程同时在那轮询，会给CPU带来较大负担
- 无法保证原子性（代码里没有演示，但理论上确实如此，如果生产者的操作非原子性，消费者极可能获取到脏数据）
等待唤醒机制：wait/notify
相对而言，等待唤醒机制则要优雅得多，底层通过维护线程队列的方式，避免了过多线程同时自旋造成的CPU资源浪费，颇有点“用空间换时间”的味道。当一个生产者线程无法插入数据时，就让它在队列里休眠（阻塞），此时生产者线程会释放CPU资源，等到消费者抢到CPU执行权并取出数据后，再由消费者唤醒生产者继续生产。
举个例子，原本生产者和消费者都要时不时去店里看一下：
- 生产者：货卖完了没有，卖完了我要继续生产（每分钟来店里看一下）
- 消费者：补货了没，补货了我就可以买了（每分钟来店里看一下）
而现在，生产者去店里看了下，发现还有货，就管自己去后厨睡觉了，等店里货都卖完了，自然会有消费者过来喊他补货，不需要付出额外的精力在店里盯着。
Java有多种方式可以实现等待唤醒机制，最经典的就是wait和notify。
/**
* wait/notify版本
*/
public class WaitNotifyQueue<T> {
// 容器，用来装东西
private final LinkedList<T> queue = new LinkedList<>();
public synchronized void put(T resource) throws InterruptedException {
while (queue.size() >= 1) {
// 队列满了，不能再塞东西了，轮询等待消费者取出数据
System.out.println("生产者：队列已满，无法插入...");
this.wait();
}
System.out.println("生产者：插入" + resource + "!!!");
queue.addFirst(resource);
this.notify();
}
public synchronized void take() throws InterruptedException {
while (queue.size() <= 0) {
// 队列空了，不能再取东西，轮询等待生产者插入数据
System.out.println("消费者：队列为空，无法取出...");
this.wait();
}
System.out.println("消费者：取出消息!!!");
queue.removeLast();
this.notify();
}
}
对比WhileQueue做了哪些改进：
- 用synchronized保证原子性
- wait和notify实现等待唤醒
但一般推荐使用notifyAll（为什么？）。我们给测试程序再加一个生产者线程就知道了：
我们发现，整个程序所有线程都阻塞了。
原因是：在synchronized机制下，所有等待的线程都在同一个队列里（生产者和消费者共用一个队列），而notify又恰巧是随机唤醒线程。也就是说，有可能当前醒着的唯一线程是生产者，而他干完活以后唤醒的又是生产者。
最终结果是：所有线程都睡觉了...表现在程序上，就是卡住了。
解决办法是改用notifyAll，把所有线程都唤醒，然后大家一起参与执行权的竞争。你是否有疑问：如果和上面一样，生产者1还是唤醒生产者2呢？
其实这个假设不成立...使用notifyAll以后就不再是随机唤醒某一个线程了，而是唤醒所有线程并重新抢夺执行权。也就是说，每一个线程在进入阻塞之前，都会叫醒其他所有线程！
等待唤醒机制：condition
wait/notify版本的缺点是随机唤醒容易出现“己方唤醒己方，最终导致全部线程阻塞”的乌龙事件，虽然wait/notifyAll能解决这个问题，但唤醒全部线程又不够精确，会造成无谓的线程竞争（实际只需要唤醒敌方线程即可）。
作为改进版，可以使用ReentrantLock的Condition替代synchronized的wait/notify：
/**
* Condition版本
*/
public class ConditionQueue<T> {
// 容器，用来装东西
private final LinkedList<T> queue = new LinkedList<>();
// 显式锁（相对地，synchronized锁被称为隐式锁）
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private final Condition producerCondition = lock.newCondition();
private final Condition consumerCondition = lock.newCondition();
public void put(T resource) throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while (queue.size() >= 1) {
// 队列满了，不能再塞东西了，轮询等待消费者取出数据
System.out.println("生产者：队列已满，无法插入...");
// 生产者阻塞
producerCondition.await();
}
System.out.println("生产者：插入" + resource + "!!!");
queue.addFirst(resource);
// 生产完毕，唤醒消费者
consumerCondition.signal();
} finally {
lock.unlock();
}
}
public void take() throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while (queue.size() <= 0) {
// 队列空了，不能再取东西，轮询等待生产者插入数据
System.out.println("消费者：队列为空，无法取出...");
// 消费者阻塞
consumerCondition.await();
}
System.out.println("消费者：取出消息!!!");
queue.removeLast();
// 消费完毕，唤醒生产者
producerCondition.signal();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}如何理解Condition呢？你可以认为lock.newCondition()创建了一个队列，调用producerCondition.await()会把生产者线程放入生产者的等待队列中，当消费者调用producerCondition.signal()时会唤醒从生产者的等待队列中唤醒一个生产者线程出来工作。
后续condition.signal()就是从等待队列唤醒线程
也就是说，ReentrantLock的每个Condition都会创建一个等待队列的方式，可以分别存储需要等待的生产者线程和消费者线程，从而实现“精准唤醒”。
山寨版BlockingQueue
至此，大家应该对线程间通信有了大致了解。如果你仔细观察，会发现上面其实都采用了阻塞队列实现。我们都是先构造一个Queue，然后生产者和消费者直接操作Queue，至于是否阻塞，由Queue内部判断。这样封装的好处是，将生产者和消费者解耦的同时，不暴露过多细节，使用起来更简单（让生产者、消费者自己去判断是否需要阻塞会很繁琐）。
大家应该都听过JDK的阻塞队列吧？基于上面的案例，我们改进一下，抽取出一个自定义的阻塞队列（使用wait/nofityAll实现）：
public class BlockingQueue<T> {
// 模拟队列
private final LinkedList<T> queue = new LinkedList<>();
private int MAX_SIZE = 1;
private int remainCount = 0;
public BlockingQueue(int capacity) {
if (capacity <= 0) {
throw new IllegalArgumentException("size最小为1");
}
this.MAX_SIZE = capacity;
}
public synchronized void put(T resource) throws InterruptedException {
while (queue.size() >= MAX_SIZE) {
// 队列满了，不能再塞东西了，阻塞生产者
System.out.println("插入阻塞...");
this.wait();
}
queue.addFirst(resource);
remainCount++;
printMsg(resource, "被插入");
this.notifyAll();
}
public synchronized T take() throws InterruptedException {
while (queue.size() <= 0) {
// 队列空了，不能再取东西了，阻塞消费者
System.out.println("取出阻塞...");
this.wait();
}
T resource = queue.removeLast();
remainCount--;
printMsg(resource, "被取出");
this.notifyAll();
return resource;
}
private void printMsg(T resource, String operation) throws InterruptedException {
System.out.println(resource + operation);
System.out.println("队列容量：" + remainCount);
}
}
BlockingQueue简介
虽然很多人开口闭口“阻塞队列”，但“阻塞队列”在他脑中只是个很模糊的概念。连“阻塞队列”的来龙去脉都不甚清楚，又怎么能说了解呢？
实际上，和List、Set一样，“阻塞队列”也有自己的一脉。在JDK的util包下有一个Queue接口：
如果你继续往下扒，就会发现Queue和List其实很像，也是集合的一个分支罢了：
为什么很多人会觉得阻塞队列（比如ArrayBlockingQueue）高大上，听起来比ArrayList牛逼呢？主要在于“阻塞”二字！因为大家不了解阻塞，自己也不知道怎么实现阻塞，所以会觉得阻塞队列很神秘，很牛逼。但仔细观察上面的继承关系你会发现，如果ArrayBlockingQueue没有实现BlockingQueue接口，那么它本应该是个普普通通的队列，而不是阻塞队列，也就没有那么惊艳了。
那么BlockingQueue做了啥呢？其实啥也没做，毕竟BlockingQueue只是个接口，而接口只能定义方法...就好比一栋摩天大厦建成了，楼顶有个空中泳池，你觉得很牛逼。那么，你觉得是当初说“我要楼顶有个大花园”的老板牛逼还是把这个方案实现的设计师牛逼呢？
扯远了，其实BlockingQueue继承Queue接口后，就定义了几个方法：
| 失败抛异常 |
失败返回特殊值 |
阻塞 |
阻塞（指定超时时间） |
|
| 插入 |
add(e) |
offer(e) |
put(e) |
offer(e, time, unit) |
| 删除 |
remove() |
poll() |
take() |
poll(time, unit) |
| 查询 |
element() |
peek() |
无 |
无 |
BlockingQueue金口一开，后面的小弟只能满足，所以几个阻塞队列的实现类都有上面的几个方法。
那么阻塞队列的“阻塞”是怎么实现的呢？以ArrayBlockingQueue为例，通过上面的继承关系分析，Queue和BlockingQueue是接口，里面只有方法定义没有具体实现，有可能实现“阻塞”功能的要么在AbstractQueue，要么就是ArrayBlockingQueue自身。我们查看AbstractQueue发现这家伙几乎啥都没写...
也就是说，当初老板发话“我希望这个队列能阻塞”，经理微笑着满口答应，结果转手就交给3个小弟自己整了。好在3个小弟争气，还真给他们搞出来了...
常用的3个阻塞队列：
- ArrayBlockingQueue
- LinkedBlockingQueue
- SynchronousQueue
还是以ArrayBlockingQueue为例，它是怎么实现阻塞的呢？put()方法内部判断，队列满了就notFull.await()，否则enqueue()。也就是说，队列满了就阻塞，没满就入队。
好家伙...竟然用了ReentrantLock，这和我们上面案例中写的ConditionQueue好像啊！
但是ArrayBlockingQueue只有notFull.await()，没看到signal()，不合理。仔细找找，唯一的可能是ArrayBlockingQueue把signal()藏在enqueue(e)方法里了：
也就是说，生产者每次成功插入都尝试唤醒消费者组，让它们来消费。虽然极端情况下可能被唤醒的消费者仍然抢不到锁，但没关系，put()内部会判断队列是否满了，一旦队列满了，无论来多少个生产者，统统给你阻塞住，极端情况下生产者全部阻塞，总会轮到消费者的。消费者则是每次成功消费都尝试唤醒生产者组。
其他两个阻塞队列LinkedBlockingQueue和SynchronousQueue同理，也是用ReentrantLock实现阻塞的。
展望AQS
看到这里，相信阻塞队列在大家心中已经不再那么神圣了，有什么了不起啊，我们自己也能写啊，还用了好几种方式实现呢！但是扪心自问，阻塞队列总共也就：
- 阻塞
- 队列
而我们所谓的手写阻塞队列，其实是这样的：队列直接用了LinkedList，阻塞也是借用wait/notify和ReentrantLock实现的。也就是说，我们其实只是做了组装工作，拿现成的队列+阻塞功能拼出了一个阻塞队列。
世间路千万条，总有人不走寻常路。按理说现成的List+wait/notifyAll已经可以造出阻塞队列了，但就是有大佬不满足。
Doug Lea老爷子震惊的说：What?! Why you don't say earlly ya! I have already finished the AQS le...
是的，又是这个男人，他整出了一个AQS，再把AQS塞到ReentrantLock中，最后用ReentrantLock+数组、ReentrantLock+链表、ReentrantLock+Transfer搞出了ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue和SynchronousQueue...阻塞队列只能算顺便的，他的初衷其实是利用AQS统一并简化锁的实现，屏蔽同步状态管理、阻塞线程的排队和通知、唤醒机制等，让后续的二次开发更简便。
换句话说：
如果你纠结于阻塞队列怎么实现，那你的格局就太小了...JDK的阻塞队列依赖于ReentrantLock，而ReentrantLock只是对AQS的浅封装，真正需要我们花功夫学习的其实有且只有AQS。
学完本篇，我鼓励你现在、马上、立刻打开IDEA搜索ArrayBlockingQueue，把源码看一遍。相信我，你已经可以驯服它！
作者简介：大家好，我是smart哥，前中兴通讯、美团架构师，现某互联网公司CTO
进群，大家一起学习，一起进步，一起对抗互联网寒冬