JDK1.8 ArrayBlockingQueue源码分析
目的：本文通过分析JDK源码来对比ArrayBlockingQueue 和LinkedBlockingQueue，以便日后灵活使用。
1. 在Java的Concurrent包中，添加了阻塞队列BlockingQueue，用于多线程编程。BlockingQueue的核心方法有：
boolean add(E e) ，把 e 添加到BlockingQueue里。如果BlockingQueue可以容纳，则返回true，否则抛出异常。
boolean offer(E e)，表示如果可能的话,将 e 加到BlockingQueue里，即如果BlockingQueue可以容纳，则返回true，否则返回false。
void put(E e)，把 e 添加到BlockingQueue里，如果BlockQueue没有空间，则调用此方法的线程被阻塞直到BlockingQueue里面有空间再继续。
E poll(long timeout, TimeUnit unit) ，取走BlockingQueue里排在首位的对象，若不能立即取出，则可以等time参数规定的时间，取不到时返回null。
E take() ，取走BlockingQueue里排在首位的对象,若BlockingQueue为空，则调用此方法的线程被阻塞直到BlockingQueue有新的数据被加入。
int drainTo(Collection c) 和 int drainTo(Collection c, int maxElements) ，一次性从BlockingQueue获取所有可用的数据对象（还可以指定获取 数据的个数），通过该方法，可以提升获取数据效率，不需要多次分批加锁或释放锁。
2. BlockingQueue常用的四个实现类
ArrayBlockingQueue：规定大小的BlockingQueue,其构造函数必须带一个int参数来指明其大小.其所含的对象是以FIFO(先入先出)顺序排序的.
2) LinkedBlockingQueue：大小不定的BlockingQueue,若其构造函数带一个规定大小的参数,生成的BlockingQueue有大小限制,若不带大小参数,所生成的BlockingQueue的大小由Integer.MAX_VALUE来决定.其所含的对象是以FIFO(先入先出)顺序排序的
3) PriorityBlockingQueue：类似于LinkedBlockQueue,但其所含对象的排序不是FIFO,而是依据对象的自然排序顺序或者是构造函数的Comparator决定的顺序.
4) SynchronousQueue：特殊的BlockingQueue,对其的操作必须是放和取交替完成的.
3. ArrayBlockingQueue源码分析
ArrayBlockingQueue是一个由数组支持的有界阻塞队列。此队列按 FIFO（先进先出）原则对元素进行排序。队列的头部 是在队列中存在时间最长的元素，队列的尾部 是在队列中存在时间最短的元素。新元素插入到队列的尾部，队列检索操作则是从队列头部开始获得元素。
这是一个典型的“有界缓存区”，固定大小的数组在其中保持生产者插入的元素和使用者提取的元素。一旦创建了这样的缓存区，就不能再增加其容量。试图向已满队列中放入元素会导致放入操作受阻塞；试图从空队列中检索元素将导致类似阻塞。
ArrayBlockingQueue创建的时候需要指定容量capacity(可以存储的最大的元素个数，因为它不会自动扩容)。其中一个构造方法为：
/**
* Creates an {@code ArrayBlockingQueue} with the given (fixed)
* capacity and the specified access policy.
*
* @param capacity the capacity of this queue
* @param fair if {@code true} then queue accesses for threads blocked
* on insertion or removal, are processed in FIFO order;
* if {@code false} the access order is unspecified.
* @throws IllegalArgumentException if {@code capacity < 1}
*/
//传入一个消息队列长度，是否是公平队列
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
if (capacity <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
//new 出一个指定长度的消息队列，这里要注意一旦消息队列里面满的话再往里面发消息就堵塞不会像ArrayList一样扩容的，
this.items = new Object[capacity];
lock = new ReentrantLock(fair);
//初始化等待条件，关于condition可以看下这篇文章http://blog.csdn.net/qq_22929803/article/details/52347115
notEmpty = lock.newCondition();
notFull = lock.newCondition();
}
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair,
Collection c) {
// 调用两个参数的构造函数
this(capacity, fair);
// 可重入锁
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 上锁
lock.lock(); // Lock only for visibility, not mutual exclusion
try {
int i = 0;
try {
for (E e : c) { // 遍历集合
// 检查元素是否为空
checkNotNull(e);
// 存入ArrayBlockingQueue中
items[i++] = e;
}
} catch (ArrayIndexOutOfBoundsException ex) { // 当初始化容量小于传入集合的大小时，会抛出异常
throw new IllegalArgumentException();
}
// 元素数量
count = i;
// 初始化存元素的索引
putIndex = (i == capacity) ? 0 : i;
} finally {
// 释放锁
lock.unlock();
}
}ArrayBlockingQueue类中定义的变量有：
/** The queued items */
// 存放元素的数组
final Object[] items;
/** items index for next take, poll, peek or remove */
// 去元素的索引
int takeIndex;
/** items index for next put, offer, or add */
// 获取元素的索引
int putIndex;
/** Number of elements in the queue */
// 队列中的数量
int count;
/*
* Concurrency control uses the classic two-condition algorithm
* found in any textbook.
*/
/** Main lock guarding all access */
// 整个消息队列的锁
final ReentrantLock lock;
/** Condition for waiting takes */
// 等待获取条件
private final Condition notEmpty;
/** Condition for waiting puts */
// 等待存放条件
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.
*/
// 迭代器
transient Itrs itrs = null;
// Internal helper methods使用数组items来存储元素，由于是循环队列，使用takeIndex和putIndex来标记put和take的位置。可以看到，该类中只定义了一个锁ReentrantLock，定义两个Condition对象：notEmputy和notFull，分别用来对take和put操作进行所控制。注：本文主要讲解put()和take()操作,其他方法类似。
put(E e)方法的源码如下。进行put操作之前，必须获得锁并进行加锁操作，以保证线程安全性。加锁后，若发现队列已满，则调用notFull.await()方法，如当前线程陷入等待。直到其他线程take走某个元素后，会调用notFull.signal()方法来激活该线程。激活之后，继续下面的插入操作。
public void put(E e) throws InterruptedException {
checkNotNull(e);
// 获取可重入锁
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 如果当前线程未被中断，则获取锁
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == items.length) // 判断元素是否已满
// 若满，则等待
notFull.await();
// 入队列
enqueue(e);
} finally {
// 释放锁
lock.unlock();
}
}说明：put函数用于存放元素，在当前线程被中断时会抛出异常，并且当队列已经满时，会阻塞一直等待。其中，put会调用enqueue函数，enqueue函数源码如下
private void enqueue(E x) {
// assert lock.getHoldCount() == 1;
// assert items[putIndex] == null;
// 获取数组
final Object[] items = this.items;
// 将元素放入
items[putIndex] = x;
if (++putIndex == items.length) // 放入后存元素的索引等于数组长度（表示已满）
// 重置存索引为0
putIndex = 0;
// 元素数量加1
count++;
// 唤醒在notEmpty条件上等待的线程
notEmpty.signal();
}说明：enqueue函数用于将元素存入底层Object数组中，并且会唤醒等待notEmpty条件的线程。
offer函数：
public boolean offer(E e) {
// 检查元素不能为空
checkNotNull(e);
// 可重入锁
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 获取锁
lock.lock();
try {
if (count == items.length) // 元素个数等于数组长度，则返回
return false;
else { // 添加进数组
enqueue(e);
return true;
}
} finally {
// 释放数组
lock.unlock();
}
}说明：offer函数也用于存放元素，在调用ArrayBlockingQueue的add方法时，会间接的调用到offer函数，offer函数添加元素不会抛出异常，当底层Object数组已满时，则返回false，否则，会调用enqueue函数，将元素存入底层Object数组。并唤醒等待notEmpty条件的线程。
take函数
public E take() throws InterruptedException {
// 可重入锁
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 如果当前线程未被中断，则获取锁，中断会抛出异常
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == 0) // 元素数量为0，即Object数组为空
// 则等待notEmpty条件
notEmpty.await();
// 出队列
return dequeue();
} finally {
// 释放锁
lock.unlock();
}
}说明：take函数用于从ArrayBlockingQueue中获取一个元素，其与put函数相对应，在当前线程被中断时会抛出异常，并且当队列为空时，会阻塞一直等待。其中，take会调用dequeue函数，dequeue函数源码如下
private E dequeue() {
// assert lock.getHoldCount() == 1;
// assert items[takeIndex] != null;
final Object[] items = this.items;
@SuppressWarnings("unchecked")
// 取元素
E x = (E) items[takeIndex];
// 该索引的值赋值为null
items[takeIndex] = null;
// 取值索引等于数组长度
if (++takeIndex == items.length)
// 重新赋值取值索引
takeIndex = 0;
// 元素个数减1
count--;
if (itrs != null)
itrs.elementDequeued();
// 唤醒在notFull条件上等待的线程
notFull.signal();
return x;
}说明：dequeue函数用于将取元素，并且会唤醒等待notFull条件的线程。
poll函数
public E poll() {
// 重入锁
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 获取锁
lock.lock();
try {
// 若元素个数为0则返回null，否则，调用dequeue，出队列
return (count == 0) ? null : dequeue();
} finally {
// 释放锁
lock.unlock();
}
}说明：poll函数用于获取元素，其与offer函数相对应，不会抛出异常，当元素个数为0是，返回null，否则，调用dequeue函数，并唤醒等待notFull条件的线程。并返回。
clear函数
public void clear() {
// 数组
final Object[] items = this.items;
// 可重入锁
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 获取锁
lock.lock();
try {
// 保存元素个数
int k = count;
if (k > 0) { // 元素个数大于0
// 存数元素索引
final int putIndex = this.putIndex;
// 取元素索引
int i = takeIndex;
do {
// 赋值为null
items[i] = null;
if (++i == items.length) // 重新赋值i
i = 0;
} while (i != putIndex);
// 重新赋值取元素索引
takeIndex = putIndex;
// 元素个数为0
count = 0;
if (itrs != null)
itrs.queueIsEmpty();
for (; k > 0 && lock.hasWaiters(notFull); k--) // 若有等待notFull条件的线程，则逐一唤醒
notFull.signal();
}
} finally {
// 释放锁
lock.unlock();
}
}说明：clear函数用于清空ArrayBlockingQueue，并且会释放所有等待notFull条件的线程（存放元素的线程）。
示例1：
package com.test.collections;
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
class PutThread extends Thread {
private ArrayBlockingQueue abq;
public PutThread(ArrayBlockingQueue abq) {
this.abq = abq;
}
public void run() {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
try {
System.out.println("put " + i);
abq.put(i);
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
class GetThread extends Thread {
private ArrayBlockingQueue abq;
public GetThread(ArrayBlockingQueue abq) {
this.abq = abq;
}
public void run() {
while (true) {
try {
// 消费消息
System.out.println("take " + abq.take());
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
// for (int i = 0; i < 10; i++) {
// try {
// System.out.println("take " + abq.take());
// Thread.sleep(100);
// } catch (InterruptedException e) {
// e.printStackTrace();
// }
// }
}
}
public class ArrayBlockingQueueDemo {
public static void main(String[] args) {
ArrayBlockingQueue abq = new ArrayBlockingQueue(10);
PutThread p1 = new PutThread(abq);
GetThread g1 = new GetThread(abq);
p1.start();
g1.start();
}
} 运行结果：
put 0
take 0
put 1
take 1
put 2
take 2
put 3
take 3
put 4
take 4
put 5
take 5
put 6
take 6
put 7
take 7
put 8
take 8
put 9
take 9说明：示例中使用了两个线程，一个用于存元素，一个用于读元素，存和读各10次，每个线程存一个元素或者读一个元素后都会休眠100ms，可以看到结果是交替打印，并且首先打印的肯定是put线程语句（因为若取线程先取元素，此时队列并没有元素，其会阻塞，等待存线程存入元素），并且最终程序可以正常结束。
① 若修改取元素线程，将存的元素的次数修改为15次（for循环的结束条件改为15即可），运行结果如下：
put 0
take 0
put 1
take 1
put 2
take 2
put 3
take 3
put 4
take 4
put 5
take 5
put 6
take 6
put 7
take 7
put 8
take 8
put 9
take 9示例2：
package com.git.test;
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
public class WorkerThread {
public static void main(String[] args) {
Helper helper = new Helper();
helper.init();
// 此处，helper的客户端线程为main线程
helper.submit("Something...");
}
static class Helper {
private final BlockingQueue workQueue = new ArrayBlockingQueue(
100);
// 用于处理队列workQueue中的任务的工作者线程
private final Thread workerThread = new Thread() {
@Override
public void run() {
String task = null;
while (true) {
try {
task = workQueue.take();
} catch (InterruptedException e) {
break;
}
System.out.println(doProcess(task));
}
}
};
public void init() {
workerThread.start();
}
protected String doProcess(String task) {
return task + "->processed.";
}
public void submit(String task) {
try {
workQueue.put(task);
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
;
}
}
}
}
总结：
总的来说，有了前面分析的基础，分析ArrayBlockingQueue就会非常的简单，ArrayBlockingQueue是通过ReentrantLock和Condition条件来保证多线程的正确访问的。ArrayBockingQueue的分析就到这里
参考：
http://www.cnblogs.com/leesf456/p/5533770.html jdk1.8版本
http://blog.csdn.net/xin_jmail/article/details/26157971 jdk1.7版本