Java阻塞队列之ArrayBlockingQueue源码解析
阻塞队列概要
阻塞队列(java.util.concurrent.BlockingQueue)，顾名思义，是一种特殊的队列，它的特性在于支持阻塞的添加和删除元素操作。
在JDK中其接口定义如下：
public interface BlockingQueue extends Queue {
// 将指定元素插入此队列中（如果立即可行且不会违反容量限制），成功时返回 true，如果当前没有可用的空间，则抛出 IllegalStateException。
boolean add(E e);
// 将指定元素插入此队列中（如果立即可行且不会违反容量限制），成功时返回 true，如果当前没有可用的空间，则返回 false。
boolean offer(E e);
// 将指定元素插入此队列中，将等待可用的空间（如果有必要）。
void put(E e) throws InterruptedException;
// 将指定元素插入此队列中，在到达指定的等待时间前等待可用的空间（如果有必要）。
boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException;
// 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() throws InterruptedException;
// 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)
throws InterruptedException;
// 返回在无阻塞的理想情况下（不存在内存或资源约束）此队列能接受的附加元素数量；如果没有内部限制，则返回 Integer.MAX_VALUE。
int remainingCapacity();
// 从此队列中移除指定元素的单个实例（如果存在）。
boolean remove(Object o);
// 如果此队列包含指定元素，则返回 true。
public boolean contains(Object o);
// 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 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 c, int maxElements);
}
可见该接口是Queue接口的一个子接口，除了继承自Queue的方法，它还提供了阻塞式的插入、删除元素的方法。
BlockingQueue的实现类
在JDK中BlockingQueue有多种实现，主要有：
- ArrayBlockingQueue：基于数组实现的BlockingQueue，它是一种有界阻塞队列。
- LinkedBlockingQueue：基于链表实现的BlockingQueue，它也是一种有界阻塞队列。
- PriorityBlockingQueue：一种优先级队列，它是无界阻塞队列，支持传入Comparator对插入的元素进行排序。
- ......
ArrayBlockingQueue源码解析
ArrayBlockingQueue实现概要
如前面所说，ArrayBlockingQueue是一种基于数组实现的有界阻塞队列，其构造函数定义如下：
public class ArrayBlockingQueue extends AbstractQueue
implements BlockingQueue, java.io.Serializable {
// 存储数据的数组。
final Object[] items;
// 获取数据的索引。
int takeIndex;
// 插入数据的索引
int putIndex;
// 队列元素数目。
int count;
// 控制并发访问的锁。
final ReentrantLock lock;
// 队列非空条件对象。
private final Condition notEmpty;
// 队列未满条件对象。
private final Condition notFull;
/**
* Shared state for currently active iterators, or null if there
* are known not to be any. Allows queue operations to update
* iterator state.
*/
transient Itrs itrs = null;
// 创建一个带有给定的（固定）容量和默认访问策略的 ArrayBlockingQueue。
public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
this(capacity, false);
}
// 创建一个具有给定的（固定）容量和指定访问策略的 ArrayBlockingQueue。
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
if (capacity <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
this.items = new Object[capacity];
lock = new ReentrantLock(fair);
notEmpty = lock.newCondition();
notFull = lock.newCondition();
}
// 创建一个具有给定的（固定）容量和指定访问策略的 ArrayBlockingQueue，它最初包含给定 collection 的元素，并以 collection 迭代器的遍历顺序添加元素。
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair,
Collection c) {
this(capacity, fair);
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock(); // Lock only for visibility, not mutual exclusion
try {
int i = 0;
try {
for (E e : c) {
checkNotNull(e);
items[i++] = e;
}
} catch (ArrayIndexOutOfBoundsException ex) {
throw new IllegalArgumentException();
}
count = i;
putIndex = (i == capacity) ? 0 : i;
} finally {
lock.unlock();
}
}
} 从类成员上我们可以看到，ArrayBlockingQueue通过items数组来存储队列元素数据。同时通过重入锁进行并发控制。它通过takeIndex、putIndex记录当前取、插元素的位置，通过count记录队列的size。它通过notEmpty、notFull条件对象，在取数据、插数据时进行线程的阻塞和唤醒控制。
ArrayBlockingQueue方法解析
put(E e)方法
put(E e)方法将指定的元素插入此队列的尾部，如果该队列已满，则等待可用的空间。其实现如下：
public void put(E e) throws InterruptedException {
checkNotNull(e);
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == items.length)
notFull.await();
enqueue(e);
} finally {
lock.unlock();
}
}
private void enqueue(E x) {
// assert lock.getHoldCount() == 1;
// assert items[putIndex] == null;
final Object[] items = this.items;
items[putIndex] = x;
if (++putIndex == items.length)
putIndex = 0;
count++;
notEmpty.signal();
}首先是前置校验，如果插入的元素为null则抛出NullPointerException。
接下来因为要插入数据，所以先获取锁，如果当前队列size已经等于items数组的长度，即capacity，则说明队列已满，需要等待，具体做法便是在notFull条件对象上等待，等待时释放lock，当其他线程执行了take、poll等操作时，会调用notFull的signal，该put线程便得到机会可以继续执行。
然后便是enqueue操作，这里是把数据插入数组，根据putIndex得知该插入的位置，然后插入，同时更新putIndex，队列size++，调用notEmpty条件对象的signal，告诉在notEmpty上等待的线程，队列已经不为空了。
take()方法
take()方法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）。其实现如下：
public E take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == 0)
notEmpty.await();
return dequeue();
} finally {
lock.unlock();
}
}
private E dequeue() {
// assert lock.getHoldCount() == 1;
// assert items[takeIndex] != null;
final Object[] items = this.items;
@SuppressWarnings("unchecked")
E x = (E) items[takeIndex];
items[takeIndex] = null;
if (++takeIndex == items.length)
takeIndex = 0;
count--;
if (itrs != null)
itrs.elementDequeued();
notFull.signal();
return x;
}同样，因为要对临界资源items数组进行修改，所以take方法上来也是先获取锁。
然后它判断当前size是否为0，如果为0说明队列中没有元素，需要等待，具体做法便是在notEmpty条件对象上等待，已期其他线程执行put、offer等操作时能够唤醒它。
被唤醒后当前take线程得以继续执行，执行dequeue操作，将队首元素从数组中剔除。具体做法是根据takeIndex得知要被取走的元素的数组下标，然后该位置置null以便GC线程能回收此对象。然后更新takeIndex，size--，更新迭代器中的元素数据，调用notFull的signal方法，通知在notFull上等待的线程，当前队列已经不满了，可以插入元素了。
offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)方法
offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)方法将指定元素插入此队列中，在到达指定的等待时间前等待可用的空间（如果有必要）。其实现如下：
public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
checkNotNull(e);
long nanos = unit.toNanos(timeout);
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == items.length) {
if (nanos <= 0)
return false;
nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
}
enqueue(e);
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}该方法实现与put(E e)非常类似，只不过在等待的时候调用了超时等待方法，代码结构上遵循condition.awaitNanos(long nanosTimeout)的典型编程模式。
poll(long timeout, TimeUnit unit)方法
poll(long timeout, TimeUnit unit)方法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）。其实现如下：
public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
long nanos = unit.toNanos(timeout);
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == 0) {
if (nanos <= 0)
return null;
nanos = notEmpty.awaitNanos(nanos);
}
return dequeue();
} finally {
lock.unlock();
}
}同样，这里的实现与take()方法类似，等待时使用了超时等待方法，代码结构上遵循condition.awaitNanos(long nanosTimeout)的典型编程模式。