【并发队列】阻塞队列 LinkedBlockingQueue 源码解析

一、概述

    LinkedBlockingQueue是基于链表的阻塞FIFO队列,可以指定一个最大的长度限制以防止过度扩展,未指定情况下其大小为Integer.MAX_VALUE。

二、同步策略

    putlock只负责添加,takelock只负责删除。这样添加和删除操作就可以分开做,这样也是其吞吐量高于ArrayBlockingQueue的原因,而对于count则使用一个AtomicInteger来进行同步。但是对于迭代器操作和remove(Object)操作则是不同的,需要同时加上两种锁才行。对于notFull和notEmpty的条件变量这里实际也是分开的。

三、可见性

读者和写者之间的可见性问题,当元素是队尾元素时,获取put锁,并且count更新,随后的读者通过fullLock获得put锁或获得take锁来保证其对于队尾元素的可见性。然后读取n=count.get(),这个保证获得对第n个元素的可见性。

四、源码解析

 LinkedBlockingQueue 类中定义的变量有:

/** The capacity bound, or Integer.MAX_VALUE if none */  
private final int capacity;  
  
/** Current number of elements */  
private final AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);  
  
/** Head of linked list */  
private transient Node<E> head;  
  
/** Tail of linked list */  
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();  

该类中定义了两个ReentrantLock锁:putLock和takeLock,分别用于put端和take端。也就是说,生成端和消费端各自独立拥有一把锁,避免了读(take)写(put)时互相竞争锁的情况。

public boolean offer(E e)

原理:在队尾插入一个元素, 如果队列没满,立即返回true; 如果队列满了,立即返回false。

   /**
     * 在队尾插入一个元素, 容量没满,可以立即插入,返回true; 队列满了,直接返回false
     * 注:如果使用了限制了容量的队列,这个方法比add()好,因为add()插入失败就会抛出异常
     */
    public boolean offer(E e) {
        if (e == null)
            throw new NullPointerException();
        final AtomicInteger count = this.count;// 获取队列中的元素个数
        if (count.get() == capacity)// 队列满了
            return false;
        int c = -1;
        final ReentrantLock putLock = this.putLock;
        putLock.lock();// 获取入队锁
        try {
            if (count.get() < capacity) {// 容量没满
                enqueue(e);// 入队
                c = count.getAndIncrement();// 容量+1,返回旧值(注意)
                if (c + 1 < capacity)// 如果添加元素后的容量,还小于指定容量(说明在插入当前元素后,至少还可以再插一个元素)
                    notFull.signal();// 唤醒等待notFull条件的其中一个线程
            }
        } finally {
            putLock.unlock();// 释放入队锁
        }
        if (c == 0)// 如果c==0,这是什么情况?一开始如果是个空队列,就会是这样的值,要注意的是,上边的c返回的是旧值
            signalNotEmpty();
        return c >= 0;
    }


    /**
     * 创建一个节点,并加入链表尾部
     * @param x
     */
    private void enqueue(E x) {
        /*
         * 封装新节点,并赋给当前的最后一个节点的下一个节点,然后在将这个节点设为最后一个节点
         */
        last = last.next = new Node<E>(x);
    }

    private void signalNotEmpty() {
        final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
        takeLock.lock();//获取出队锁
        try {
            notEmpty.signal();//唤醒等待notEmpty条件的线程中的一个
        } finally {
            takeLock.unlock();//释放出队锁
        }
    }

public void put(E e)

原理:在队尾插入一个元素,如果队列满了,一直阻塞,直到队列不满了或者线程被中断

    /**
     * 在队尾插一个元素
     * 如果队列满了,一直阻塞,直到队列不满了或者线程被中断
     */
    public void put(E e) throws InterruptedException {
        if (e == null) throw new NullPointerException();
        int c = -1;
        final ReentrantLock putLock = this.putLock;//入队锁
        final AtomicInteger count = this.count;//当前队列中的元素个数
        putLock.lockInterruptibly();//加锁
        try {
            while (count.get() == capacity) {//如果队列满了 
                /*
                 * 加入notFull等待队列,直到队列元素不满了,
                 * 被其他线程使用notFull.signal()唤醒
                 */
                notFull.await();
            }
            enqueue(e);//入队
            c = count.getAndIncrement();//入队数量+1
            if (c + 1 < capacity)
                notFull.signal();
        } finally {
            putLock.unlock();
        }
        if (c == 0)
            signalNotEmpty();
    }

public E take() 

原理:将队头元素出队,如果队列空了,一直阻塞,直到队列不为空或者线程被中断

    /**
     * 出队:
     * 如果队列空了,一直阻塞,直到队列不为空或者线程被中断
     */
    public E take() throws InterruptedException {
        E x;
        int c = -1;
        final AtomicInteger count = this.count;//获取队列中的元素总量
        final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
        takeLock.lockInterruptibly();//获取出队锁
        try {
            while (count.get() == 0) {//如果没有元素,一直阻塞
                /*
                 * 加入等待队列, 一直等待条件notEmpty(即被其他线程唤醒)
                 * (唤醒其实就是,有线程将一个元素入队了,然后调用notEmpty.signal()唤醒其他等待这个条件的线程,同时队列也不空了)
                 */
                notEmpty.await();
            }
            x = dequeue();//出队
            c = count.getAndDecrement();//元素数量-1
            if (c > 1)
                notEmpty.signal();
        } finally {
            takeLock.unlock();
        }
        if (c == capacity)
            signalNotFull();
        return x;
    }

    /**
     * 从队列头部移除一个节点
     */
    private E dequeue() {
        Node<E> h = head;//获取头节点:x==null
        Node<E> first = h.next;//将头节点的下一个节点赋值给first
        h.next = h; // 将当前将要出队的节点置null(为了使其做head节点做准备)
        head = first;//将当前将要出队的节点作为了头节点
        E x = first.item;//获取出队节点的值
        first.item = null;//将出队节点的值置空
        return x;
    }

    private void signalNotFull() {
        final ReentrantLock putLock = this.putLock;
        putLock.lock();
        try {
            notFull.signal();
        } finally {
            putLock.unlock();
        }
    }

public E poll()

原理:如果没有元素,直接返回null;如果有元素,出队

    /**
     * 出队: 
     * 1、如果没有元素,直接返回null 
     * 2、如果有元素,出队
     */
    public E poll() {
        final AtomicInteger count = this.count;// 获取元素数量
        if (count.get() == 0)// 没有元素
            return null;
        E x = null;
        int c = -1;
        final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
        takeLock.lock();// 获取出队锁
        try {
            if (count.get() > 0) {// 有元素
                x = dequeue();// 出队
                // 元素个数-1(注意:该方法是一个无限循环,直到减1成功为止,且返回旧值)
                c = count.getAndDecrement();
                if (c > 1)// 还有元素(如果旧值c==1的话,那么通过上边的操作之后,队列就空了)
                    notEmpty.signal();// 唤醒等待在notEmpty队列中的其中一条线程
            }
        } finally {
            takeLock.unlock();// 释放出队锁
        }
        if (c == capacity)// c == capacity是怎么发生的?如果队列是一个满队列,注意:上边的c返回的是旧值
            signalNotFull();
        return x;
    }

五、总结

1、具体入队与出队的原理图

图中每一个节点前半部分表示封装的数据x,后边的表示指向的下一个引用。

1.1、初始化

 初始化之后,初始化一个数据为null,且head和last节点都是这个节点。

1.2、入队两个元素过后

1.3、出队一个元素后

表面上看,只是将头节点的next指针指向了要删除的x1.next,事实上这样我觉的就完全可以,但是jdk实际上是将原来的head节点删除了,而上边看到的这个head节点,正是刚刚出队的x1节点,只是其值被置空了。

2、三种入队对比:

  • 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

3、三种出队对比:

  • 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

4、ArrayBlockingQueue与LinkedBlockingQueue对比

  • ArrayBlockingQueue:
    • 一个对象数组+一把锁+两个条件
    • 入队与出队都用同一把锁
    • 在只有入队高并发或出队高并发的情况下,因为操作数组,且不需要扩容,性能很高
    • 采用了数组,必须指定大小,即容量有限
  • LinkedBlockingQueue:
    • 一个单向链表+两把锁+两个条件
    • 两把锁,一把用于入队,一把用于出队,有效的避免了入队与出队时使用一把锁带来的竞争。
    • 在入队与出队都高并发的情况下,性能比ArrayBlockingQueue高很多
    • 采用了链表,最大容量为整数最大值,可看做容量无限

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