JAVA队列详细分析和ArrayBlockingQueue源码剖析(JDK1.8)

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Queue: 基本上,一个队列就是一个先入先出(FIFO)的数据结构

Queue接口与List、Set同一级别,都是继承了Collection接口。LinkedList实现了Deque接 口。

Queue的实现


1、没有实现的阻塞接口的LinkedList: 实现了java.util.Queue接口和java.util.AbstractQueue接口
  内置的不阻塞队列: PriorityQueue 和 ConcurrentLinkedQueue
  PriorityQueue 和 ConcurrentLinkedQueue 类在 Collection Framework 中加入两个具体集合实现。 
  PriorityQueue 类实质上维护了一个有序列表。加入到 Queue 中的元素根据它们的天然排序(通过其 java.util.Comparable 实现)或者根据传递给构造函数的 java.util.Comparator 实现来定位。
  ConcurrentLinkedQueue 是基于链接节点的、线程安全的队列。并发访问不需要同步。因为它在队列的尾部添加元素并从头部删除它们,所以只要不需要知道队列的大 小,          ConcurrentLinkedQueue 对公共集合的共享访问就可以工作得很好。收集关于队列大小的信息会很慢,需要遍历队列。


2、实现阻塞接口的:
  java.util.concurrent 中加入了 BlockingQueue 接口和五个阻塞队列类。它实质上就是一种带有一点扭曲的 FIFO 数据结构。不是立即从队列中添加或者删除元素,线程执行操作阻塞,直到有空间或者元素可用。
五个队列所提供的各有不同:
  * ArrayBlockingQueue :一个由数组支持的有界队列。
  * LinkedBlockingQueue :一个由链接节点支持的可选有界队列。
  * PriorityBlockingQueue :一个由优先级堆支持的无界优先级队列。
  * DelayQueue :一个由优先级堆支持的、基于时间的调度队列。
  * SynchronousQueue :一个利用 BlockingQueue 接口的简单聚集(rendezvous)机制。

JAVA队列详细分析和ArrayBlockingQueue源码剖析(JDK1.8)_第1张图片

下表显示了jdk1.5中的阻塞队列的操作:

  add        增加一个元索                     如果队列已满,则抛出一个IIIegaISlabEepeplian异常
  remove   移除并返回队列头部的元素    如果队列为空,则抛出一个NoSuchElementException异常
  element  返回队列头部的元素             如果队列为空,则抛出一个NoSuchElementException异常
  offer       添加一个元素并返回true       如果队列已满,则返回false
  poll         移除并返问队列头部的元素    如果队列为空,则返回null
  peek       返回队列头部的元素             如果队列为空,则返回null
  put         添加一个元素                      如果队列满,则阻塞
  take        移除并返回队列头部的元素     如果队列为空,则阻塞

remove、element、offer 、poll、peek 其实是属于Queue接口。 

阻塞队列的操作可以根据它们的响应方式分为以下三类:aad、removee和element操作在你试图为一个已满的队列增加元素或从空队列取得元素时 抛出异常。当然,在多线程程序中,队列在任何时间都可能变成满的或空的,所以你可能想使用offer、poll、peek方法。这些方法在无法完成任务时 只是给出一个出错示而不会抛出异常。

注意:poll和peek方法出错进返回null。因此,向队列中插入null值是不合法的

最后,我们有阻塞操作put和take。put方法在队列满时阻塞,take方法在队列空时阻塞。

LinkedBlockingQueue的容量是没有上限的(说的不准确,在不指定时容量为Integer.MAX_VALUE,不要然的话在put时怎么会受阻呢),但是也可以选择指定其最大容量,它是基于链表的队列,此队列按 FIFO(先进先出)排序元素。


ArrayBlockingQueue在构造时需要指定容量, 并可以选择是否需要公平性,如果公平参数被设置true,等待时间最长的线程会优先得到处理(其实就是通过将ReentrantLock设置为true来 达到这种公平性的:即等待时间最长的线程会先操作)。通常,公平性会使你在性能上付出代价,只有在的确非常需要的时候再使用它。它是基于数组的阻塞循环队 列,此队列按 FIFO(先进先出)原则对元素进行排序。


PriorityBlockingQueue是一个带优先级的 队列,而不是先进先出队列。元素按优先级顺序被移除,该队列也没有上限(看了一下源码,PriorityBlockingQueue是对 PriorityQueue的再次包装,是基于堆数据结构的,而PriorityQueue是没有容量限制的,与ArrayList一样,所以在优先阻塞 队列上put时是不会受阻的。虽然此队列逻辑上是无界的,但是由于资源被耗尽,所以试图执行添加操作可能会导致 OutOfMemoryError),但是如果队列为空,那么取元素的操作take就会阻塞,所以它的检索操作take是受阻的。另外,往入该队列中的元 素要具有比较能力。


DelayQueue(基于PriorityQueue来实现的)是一个存放Delayed 元素的无界阻塞队列,只有在延迟期满时才能从中提取元素。该队列的头部是延迟期满后保存时间最长的 Delayed 元素。如果延迟都还没有期满,则队列没有头部,并且poll将返回null。当一个元素的 getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) 方法返回一个小于或等于零的值时,则出现期满,poll就以移除这个元素了。此队列不允许使用 null 元素。

ArrayBlockingQueue 的源码解析

ArrayBlockingQueue类的结构如下:

    public class ArrayBlockingQueue extends AbstractQueue
        implements BlockingQueue, java.io.Serializable {
        private static final long serialVersionUID = -817911632652898426L;
        final Object[] items;  //用数据来存储元素的容器
        int takeIndex;  //下一次读取或移除的位置(remove、poll、take )
        int putIndex;  //下一次存放元素的位置(add、offer、put)
        int count;  //队列中元素的总数
        final ReentrantLock lock;  //所有访问的保护锁
        private final Condition notEmpty;  //等待获取元素的条件
        private final Condition notFull;  //等待存放元素的条件
        略...

可以看出ArrayBlockingQueue内部使用final修饰的对象数组来存储元素,一旦初始化数组,数组的大小就不可改变。使用ReentrantLock锁来保证锁竞争,使用Condition来控制插入或获取元素时,线程是否阻塞。

  public void put(E e) throws InterruptedException {
        checkNotNull(e);
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        //获得支持响应中断的锁
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            //使用while循环来判断队列是否已满,防止假唤醒
            while (count == items.length)
                notFull.await();
            enqueue(e);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

首先获得锁,然后判断队列是否已满,如果已满则阻塞当前生产线程,直到队列中空闲时,被唤醒操作。队列空闲则调用enqueue 插入元素。

private void enqueue(E x) {
        // assert lock.getHoldCount() == 1;
        // assert items[putIndex] == null;
        final Object[] items = this.items;
        //把当前元素插入到数组中去
        items[putIndex] = x;
        //这里可以看出这个数组是个环形数组
        if (++putIndex == items.length)
            putIndex = 0;
        count++;
        // 唤醒在notEmpty条件上等待的线程 
        notEmpty.signal();
    }

把元素插入到队列中去,可以看出这个队列中的数组是环形数组结构,这样每次插入、移除的时候不需要复制移动数组中的元素。

    public E take() throws InterruptedException {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        //获得可响应中断锁
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            //使用while循环来判断队列是否已满,防止假唤醒
            while (count == 0)
                notEmpty.await();
            return dequeue();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

消费者线程从阻塞队列中获取元素,如果队列中元素为空,则阻塞当前的消费者线程直到有数据时才调用dequeue方法获取元素。否则直接调用dequeue方法获取元素

    private E dequeue() {
        // assert lock.getHoldCount() == 1;
        // assert items[takeIndex] != null;
        final Object[] items = this.items;
        @SuppressWarnings("unchecked")
        //获取元素
        E x = (E) items[takeIndex];
        //将当前位置的元素设置为null
        items[takeIndex] = null;
        //这里可以看出这个数组是个环形数组
        if (++takeIndex == items.length)
            takeIndex = 0;
        count--;
        if (itrs != null)
            //修改迭代器参数
            itrs.elementDequeued();
        // 唤醒在notFull条件上等待的线程 
        notFull.signal();
        return x;
    }

直接从数据中获取items[takeIndex]的元素,并设置当前位置的元素为null,并设置下一次takeIndex的坐标(++takeIndex),队列元素总数-1等操作。

    public boolean offer(E e) {
        checkNotNull(e);
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        //获得不可响应中断的锁
        lock.lock();
        try {
            if (count == items.length)
                return false;
            else {
                //
                enqueue(e);
                return true;
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

首先判断队列中的元素是否已满,如果已满则直接返回false,否则调用enqueue方法向队列中插入元素,插入成功返回true。

    public E poll() {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        //获得不可响应中断的锁
        lock.lock();
        try {
            return (count == 0) ? null : dequeue();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

判断队列是否为空,如果为空返回null,否则调用dequeue方法返回元素。

    public boolean add(E e) {
        if (offer(e))
            return true;
        else
            throw new IllegalStateException("Queue full");
    }

首先调用offer方法插入元素,插入成功返回true,否则抛出IllegalStateException异常。

    public E remove() {
        E x = poll();
        if (x != null)
            return x;
        else
            throw new NoSuchElementException();
    }

首先调用poll方法获取元素,如果不为空则直接返回,否则抛出NoSuchElementException异常。

    public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException {

        checkNotNull(e);
        //得到超时的时间
        long nanos = unit.toNanos(timeout);
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        //获得可响应中断的锁
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == items.length) {
                if (nanos <= 0)
                    return false;
                nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
            }
            enqueue(e);
            return true;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

首先判断队列是否已满,如果已满再循环判断超时时间是否超时,超时则直接返回false,否则阻塞该生产线程nanos时间,如果nanos时间之内唤醒则调用enqueue方法插入元素。如果队列不满则直接调用enqueue方法插入元素,并返回true。

    public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        //得到超时的时间
        long nanos = unit.toNanos(timeout);
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        //获得可响应中断的锁
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == 0) {
                if (nanos <= 0)
                    return null;
                nanos = notEmpty.awaitNanos(nanos);
            }
            return dequeue();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

首先循环判断队列是否为空,如果为空再判断是否超时,超时则返回null。不超时则等待,在nanos时间唤醒则调用dequeue方法获取元素。

    public E element() {
        E x = peek();
        if (x != null)
            return x;
        else
            throw new NoSuchElementException();
    }

调用peek方法获取元素,元素不为空则返回,否则抛出NoSuchElementException异常。

    public E peek() {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            return itemAt(takeIndex); // null when queue is empty
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    
    final E itemAt(int i) {
        return (E) items[i];
    }

调用itemAt方法获取元素。

** 其它的阻塞队列实现原理都类似,都是使用ReentrantLock和Condition来完成并发控制、阻塞的。 **

转载于:https://my.oschina.net/u/2307589/blog/1799753

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