Java LinkedBlockingQueue

本章介绍JUC包中的LinkedBlockingQueue。
目录

  • LinkedBlockingQueue介绍
  • LinkedBlockingQueue原理和数据结构
  • LinkedBlockingQueue函数列表
  • LinkedBlockingQueue源码分析(JDK1.7.0_40版本)]
  • 创建
  • 添加
  • 取出
  • 遍历
  • LinkedBlockingQueue示例

LinkedBlockingQueue介绍

LinkedBlockingQueue是一个单向链表实现的阻塞队列。该队列按 FIFO（先进先出）排序元素，新元素插入到队列的尾部，并且队列获取操作会获得位于队列头部的元素。链接队列的吞吐量通常要高于基于数组的队列，但是在大多数并发应用程序中，其可预知的性能要低。
此外，LinkedBlockingQueue还是可选容量的(防止过度膨胀)，即可以指定队列的容量。如果不指定，默认容量大小等于Integer.MAX_VALUE。

LinkedBlockingQueue原理和数据结构

LinkedBlockingQueue的数据结构，如下图所示：

img

说明：
(1) LinkedBlockingQueue继承于AbstractQueue，它本质上是一个FIFO(先进先出)的队列。
(2) LinkedBlockingQueue实现了BlockingQueue接口，它支持多线程并发。当多线程竞争同一个资源时，某线程获取到该资源之后，其它线程需要阻塞等待。
(3) LinkedBlockingQueue是通过单链表实现的。
3.a) head是链表的表头。取出数据时，都是从表头head处插入。
3.b) last是链表的表尾。新增数据时，都是从表尾last处插入。
3.c) count是链表的实际大小，即当前链表中包含的节点个数。
3.d) capacity是列表的容量，它是在创建链表时指定的。
3.e) putLock是插入锁，takeLock是取出锁；notEmpty是“非空条件”，notFull是“未满条件”。通过它们对链表进行并发控制。

LinkedBlockingQueue在实现“多线程对竞争资源的互斥访问”时，对于“插入”和“取出(删除)”操作分别使用了不同的锁。对于插入操作，通过“插入锁putLock”进行同步；对于取出操作，通过“取出锁takeLock”进行同步。 此外，插入锁putLock和“非满条件notFull”相关联，取出锁takeLock和“非空条件notEmpty”相关联。通过notFull和notEmpty更细腻的控制锁。

-- 若某线程(线程A)要取出数据时，队列正好为空，则该线程会执行notEmpty.await()进行等待；当其它某个线程(线程B)向队列中插入了数据之后，会调用notEmpty.signal()唤醒“notEmpty上的等待线程”。此时，线程A会被唤醒从而得以继续运行。 此外，线程A在执行取操作前，会获取takeLock，在取操作执行完毕再释放takeLock。

-- 若某线程(线程H)要插入数据时，队列已满，则该线程会它执行notFull.await()进行等待；当其它某个线程(线程I)取出数据之后，会调用notFull.signal()唤醒“notFull上的等待线程”。此时，线程H就会被唤醒从而得以继续运行。 此外，线程H在执行插入操作前，会获取putLock，在插入操作执行完毕才释放putLock。

关于ReentrantLock 和 Condition的内容，可以参考之前的章节。

LinkedBlockingQueue函数列表

// 创建一个容量为 Integer.MAX_VALUE 的 LinkedBlockingQueue。LinkedBlockingQueue()
// 创建一个容量是 Integer.MAX_VALUE 的 LinkedBlockingQueue，最初包含给定 collection 的元素，元素按该 collection 迭代器的遍历顺序添加。
LinkedBlockingQueue(Collection<? extends E> c)
// 创建一个具有给定（固定）容量的 LinkedBlockingQueue。LinkedBlockingQueue(int capacity)
// 从队列彻底移除所有元素。
void clear()
// 移除此队列中所有可用的元素，并将它们添加到给定 collection 中。int drainTo(Collection<? super E> c)
// 最多从此队列中移除给定数量的可用元素，并将这些元素添加到给定 collection 中。
int drainTo(Collection<? super E> c, int maxElements)
// 返回在队列中的元素上按适当顺序进行迭代的迭代器。
Iterator<E> iterator()
// 将指定元素插入到此队列的尾部（如果立即可行且不会超出此队列的容量），在成功时返回 true，如果此队列已满，则返回 false。
boolean offer(E e)
// 将指定元素插入到此队列的尾部，如有必要，则等待指定的时间以使空间变得可用。
boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
// 获取但不移除此队列的头；如果此队列为空，则返回 null。
E peek()
// 获取并移除此队列的头，如果此队列为空，则返回 null。
E poll()
// 获取并移除此队列的头部，在指定的等待时间前等待可用的元素（如果有必要）。
E poll(long timeout, TimeUnit unit)
// 将指定元素插入到此队列的尾部，如有必要，则等待空间变得可用。void put(E e)
// 返回理想情况下（没有内存和资源约束）此队列可接受并且不会被阻塞的附加元素数量。
int remainingCapacity()
// 从此队列移除指定元素的单个实例（如果存在）。
boolean remove(Object o)
// 返回队列中的元素个数。
int size()
// 获取并移除此队列的头部，在元素变得可用之前一直等待（如果有必要）。
E take()
// 返回按适当顺序包含此队列中所有元素的数组。
Object[] toArray()
// 返回按适当顺序包含此队列中所有元素的数组；返回数组的运行时类型是指定数组的运行时类型。
<T> T[] toArray(T[] a)
// 返回此 collection 的字符串表示形式。
String toString()

LinkedBlockingQueue源码分析(JDK1.7.0_40版本)

下面从LinkedBlockingQueue的创建，添加，删除，遍历这几个方面进行分析。

创建

下面以LinkedBlockingQueue(int capacity)来进行说明。

public LinkedBlockingQueue(int capacity) { 
  if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
  this.capacity = capacity; last = head = new Node<E>(null);
}

说明：
(01) capacity是“链式阻塞队列”的容量。
(02) head和last是“链式阻塞队列”的首节点和尾节点。
它们在LinkedBlockingQueue中的声明如下：

// 容量
private final int capacity;
// 当前数量
private final AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
private transient Node<E> head; 
// 链表的表头
private transient Node<E> last; 
// 链表的表尾
// 用于控制“删除元素”的互斥锁takeLock 和 锁对应的“非空条件”notEmptyprivate 
final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();
private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();
// 用于控制“添加元素”的互斥锁putLock 和 锁对应的“非满条件”notFull
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();
private final Condition notFull = putLock.newCondition();

链表的节点定义如下：

static class Node<E> { 
  E item; 
  // 数据 
  Node<E> next; 
  // 下一个节点的指针 
  Node(E x) { 
    item = x; 
  }
}

添加

下面以offer(E e)为例，对LinkedBlockingQueue的添加方法进行说明。

public boolean offer(E e) { 
  if (e == null) throw new NullPointerException(); 
  // 如果“队列已满”，则返回false，表示插入失败。 
  final AtomicInteger count = this.count;
  if (count.get() == capacity) return false; 
  int c = -1; 
  // 新建“节点e” 
  Node<E> node = new Node(e); 
  final ReentrantLock putLock = this.putLock; 
  // 获取“插入锁putLock” 
  putLock.lock(); 
  try { 
    // 再次对“队列是不是满”的进行判断。 
    // 若“队列未满”，则插入节点。 
    if (count.get() < capacity) { 
      // 插入节点 enqueue(node);
      // 将“当前节点数量”+1，并返回“原始的数量” 
      c = count.getAndIncrement(); 
      // 如果在插入元素之后，队列仍然未满，则唤醒notFull上的等待线程。 
      if (c + 1 < capacity)  notFull.signal(); 
    } 
  } finally { 
      // 释放“插入锁putLock” 
      putLock.unlock();
  } 

  // 如果在插入节点前，队列为空；则插入节点后，唤醒notEmpty上的等待线程 
  if (c == 0) 
    signalNotEmpty(); 
    return c >= 0;
  }

说明：offer()的作用很简单，就是将元素E添加到队列的末尾。

enqueue()的源码如下：

private void enqueue(Node<E> node) { 
  // assert 
  putLock.isHeldByCurrentThread(); 
  // assert 
  last.next == null; 
  last = last.next = node;
}

enqueue()的作用是将node添加到队列末尾，并设置node为新的尾节点！

signalNotEmpty()的源码如下：

private void signalNotEmpty() { 
  final ReentrantLock takeLock = this.takeLock; 
  takeLock.lock(); 
  try { 
    notEmpty.signal(); 
  } finally { 
    takeLock.unlock(); 
  }
}

signalNotEmpty()的作用是唤醒notEmpty上的等待线程。

取出

下面以take()为例，对LinkedBlockingQueue的取出方法进行说明。

public E take() throws InterruptedException { 
  E x; 
  int c = -1; 
  final AtomicInteger count = this.count; 
  final ReentrantLock takeLock = this.takeLock; 
  // 获取“取出锁”，若当前线程是中断状态，则抛出InterruptedException异常 
  takeLock.lockInterruptibly(); 
  try { 
    // 若“队列为空”，则一直等待。 
    while (count.get() == 0) { 
      notEmpty.await(); 
    } 
    // 取出元素 
    x = dequeue(); 
    // 取出元素之后，将“节点数量”-1；并返回“原始的节点数量”。 
    c = count.getAndDecrement();
    if (c > 1) notEmpty.signal();
  } finally { 
    // 释放“取出锁” 
    takeLock.unlock(); 
  } 
  // 如果在“取出元素之前”，队列是满的；则在取出元素之后，唤醒notFull上的等待线程。 
  if (c == capacity) 
    signalNotFull(); 
  return x;
}

说明：take()的作用是取出并返回队列的头。若队列为空，则一直等待。

dequeue()的源码如下：

private E dequeue() { 
  // assert 
  takeLock.isHeldByCurrentThread(); 
  // assert 
  head.item == null; 
  Node<E> h = head; 
  Node<E> first = h.next; 
  h.next = h; 
  // help GC 
  head = first; 
  E x = first.item; 
  first.item = null; 
  return x;
}

dequeue()的作用就是删除队列的头节点，并将表头指向“原头节点的下一个节点”。

signalNotFull()的源码如下：

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

signalNotFull()的作用就是唤醒notFull上的等待线程。

遍历

下面对LinkedBlockingQueue的遍历方法进行说明。

public Iterator<E> iterator() { return new Itr();}

iterator()实际上是返回一个Iter对象。

Itr类的定义如下：

private class Itr implements Iterator<E> { 
  // 当前节点 
  private Node<E> current; 
  // 上一次返回的节点 
  private Node<E> lastRet; 
  // 当前节点对应的值 
  private E currentElement; 
  Itr() { 
    // 同时获取“插入锁putLock” 和 “取出锁takeLock” 
    fullyLock(); 
    try { 
      // 设置“当前元素”为“队列表头的下一节点”，即为队列的第一个有效节点 
      current = head.next; 
      if (current != null) 
        currentElement = current.item; 
      } finally { 
        // 释放“插入锁putLock” 和 “取出锁takeLock” 
        fullyUnlock(); 
      }
    } 
    // 返回“下一个节点是否为null” 
    public boolean hasNext() { return current != null; } 

    private Node<E> nextNode(Node<E> p) { 
      for (;;) { 
        Node<E> s = p.next; 
        if (s == p) return head.next; 
        if (s == null || s.item != null) 
          return s; 
        p = s; 
      }
    } 

    // 返回下一个节点
    public E next() { 
      fullyLock(); 
      try { 
        if (current == null) throw new NoSuchElementException(); 
        E x = currentElement; 
        lastRet = current; 
        current = nextNode(current); 
        currentElement = (current == null) ? null : current.item; 
        return x; 
      } finally { 
        fullyUnlock(); 
      } 
    } 

    // 删除下一个节点 
    public void remove() { 
      if (lastRet == null) throw new IllegalStateException(); 
      fullyLock(); 
      try { 
        Node<E> node = lastRet; 
        lastRet = null; 
        for (Node<E> trail = head, p = trail.next; p != null; trail = p, p = p.next) { 
          if (p == node) { unlink(p, trail); break; }
         } 
      } finally { 
        fullyUnlock(); 
      } 
    }
}

LinkedBlockingQueue示例

import java.util.*;
import java.util.concurrent.*;
/** LinkedBlockingQueue是“线程安全”的队列，而LinkedList是非线程安全的。 
* 下面是“多个线程同时操作并且遍历queue”的示例 
* (01) 当queue是LinkedBlockingQueue对象时，程序能正常运行。 
* (02) 当queue是LinkedList对象时，程序会产生ConcurrentModificationException异常。 
*  @author skywang 
*/
public class LinkedBlockingQueueDemo1 { 
  // TODO: queue是LinkedList对象时，程序会出错。
  //private static Queue<String> queue = new LinkedList<String>();
  private static Queue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<String>(); 
  public static void main(String[] args) { 
    // 同时启动两个线程对queue进行操作！ 
    new MyThread("ta").start(); 
    new MyThread("tb").start(); 
  } 

  private static void printAll() { 
    String value; 
    Iterator iter = queue.iterator(); 
    while(iter.hasNext()) { 
      value = (String)iter.next(); 
      System.out.print(value+", "); 
    } 
    System.out.println(); 
  } 

  private static class MyThread extends Thread { 
    MyThread(String name) { 
      super(name); 
    } 

    @Override 
    public void run() { 
      int i = 0; 
      while (i++ < 6) { 
        // “线程名” + "-" + "序号" 
        String val = Thread.currentThread().getName()+i;
        queue.add(val); 
        // 通过“Iterator”遍历queue。 
        printAll(); 
      } 
    } 
}

(某一次)运行结果：


tb1, ta1, 
tb1, ta1, ta2, 
tb1, ta1, ta2, ta3, 
tb1, ta1, ta2, ta3, ta4, 
tb1, ta1, tb1, ta2, ta1, ta3, ta2, ta4, ta3, ta5, 
ta4, tb1, ta5, ta1, ta6, 
ta2, tb1, ta3, ta1, ta4, ta2, ta5, ta3, ta6, ta4, tb2, 
ta5, ta6, tb2, 
tb1, ta1, ta2, ta3, ta4, ta5, ta6, tb2, tb3, 
tb1, ta1, ta2, ta3, ta4, ta5, ta6, tb2, tb3, tb4, 
tb1, ta1, ta2, ta3, ta4, ta5, ta6, tb2, tb3, tb4, tb5, 
tb1, ta1, ta2, ta3, ta4, ta5, ta6, tb2, tb3, tb4, tb5, tb6,

结果说明：
示例程序中，启动两个线程(线程ta和线程tb)分别对LinkedBlockingQueue进行操作。以线程ta而言，它会先获取“线程名”+“序号”，然后将该字符串添加到LinkedBlockingQueue中；接着，遍历并输出LinkedBlockingQueue中的全部元素。 线程tb的操作和线程ta一样，只不过线程tb的名字和线程ta的名字不同。

当queue是LinkedBlockingQueue对象时，程序能正常运行。如果将queue改为LinkedList时，程序会产生ConcurrentModificationException异常。

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