java阻塞队列LinkedBlockingQueue源码分析

一、概要

阻塞队列与我们平时接触的普通队列（LinkedList 和ArrayList）的最大的不同点，在于阻塞队列支持阻塞添加和阻塞删除方法。阻塞队列常常应用于大数据框架源码和线程池源码中。

1、阻塞添加：阻塞添加指的时当组设队列元素已经满时候。队列会阻塞加入元素的线程，直到对垒元素不满时才会重新唤醒线程执行元素加入。

2、阻塞删除：是指在队列元素为空时，删除队列元素的线程被阻塞，直到队列不为空再执行删除操作。

ArrayList 和ArrayBlockingQueue一样，内部基于数组来存放元素，而linkedBlockingQueue 内部采用链表来存放元素。
下面时ArrayBlockingQueue 和linkedBlockingQueue 继承关系图。

二、LinkedBlockingQueue

是一个基于链表实现的阻塞队列，默认情况下，该阻塞队列的大小为Integer.MAX_VALUE（这也是和arrayListQueue的区别之一），由于这个数值特别大，因此在很多地方称LinkedBlockingQueue是一个无界队列。在LinkedBlockingQueue进行初始化时，可以手动指定队列的大小，这样LinkedBlockingQueue就是一个有界队列了。

1、linkedBlockingQueue 之线程安全。
既然说LinkedBlockingQueue是线程安全的，那就要解决互斥和同步的问题，这一点我们可以通过Java中提供的锁来解决。Java中锁分两大类，一类是synchronized实现的隐式锁，另一类是并发编程大师Doug Lea基于AQS实现的锁。由于LinkedBlockingQueue是Doug Lea所编写的类，因此LinkedBlockingQueue底层使用的是AQS类型的锁(lock)，即：ReentrantLock。

2、linkedBlockingQueue 之数据结构

1）、head和last.。这两个属性的类型是Node类型，Node是LinkedBlockingQueue的一个内部类。每个Node又包含两个属性：item和next。item就是最终存元素的属性，next用来指向下一个节点，通过next属性就能在LinkedBlockingQueue内部维护一个单向链表。其中head和last分别表示链表的头部和尾部。（特别指出的是：实际存储中head的item属性始终是null，因此head不存放元素，它仅仅是表示一个链表的头结点。）

static class Node {
    E item;
    Node next;
    Node(E x) { item = x; }
}

2）初始化时候我们一般会指定阻塞队列的容量大小 如下

例如   new LinkedBlockingQueue(1000)

3)、count。AtomicInteger类型，该属性的类型是一个原子类型，它表示的是当前队列中元素的个数。

4)、takeLock。ReentrantLock类型，在器阻塞队列中，获取元素和添加元素采用了不同的锁。takeLock表示获取元素中使用的锁。

5）、putLock。ReentrantLock类型，putLock表示的是添加元素时使用的锁。

6）、notEmpty。非空等待队列，Condition类型，当队列为空时，不能再从队列中获取元素了，此时想从队列中获取元素的线程就需要等待，直到队列中有元素被添加进来。那么此时线程应该在哪等待呢？就是在nonEmpty这个非空等待队列中等待。notEmpty属性的值，是通过takeLock这把锁来创建的。

private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();

7）、notFull。非满等待队列，Condition类型，当队列已满时，不能再向队列中添加元素了，此时向队列中添加元素的线程就需要等待，直到队列不满。那么线程应该在哪儿等待呢？就是在notFull这个非满等待队列中等待。notFull属性的值，是通过putLock这把锁来创建的。

private final Condition notFull = putLock.newCondition();

注意：其中Condition类中实现了线程等待wait、唤醒等方法，具体参考其具体的代码

3、linkedBlockingQueue 之源码分析
上面我们了解了linkedBlockingQueue的内部数据结构，下面我们结合具体的源码分析下LinkedBlockingQueue的实现。将LinkedBlockingQueue的操作分为两类。存元素和取出元素。其linkedBlockingQueue存数据具体方法有：put(e)、offer(e)、offer(e,time，unit);取出元素的方法有：take()、poll()、poll(time、unit)、peek()。等。

put(e)
当队列已满时，put(e)方法会一直阻塞线程，直到队列不满。当成功添加元素到队列中时，put(e)方法才会返回结束。该方法没有返回值。

 public void put(E e) throws InterruptedException {
        if (e == null) throw new NullPointerException();
        // Note: convention in all put/take/etc is to preset local var
        // holding count negative to indicate failure unless set.
        int c = -1;
        Node node = new Node(e);
        final ReentrantLock putLock = this.putLock;
        final AtomicInteger count = this.count;
        //可中断的获取锁
        putLock.lockInterruptibly();
        try {
          // 如果队列满了，则进行等待，等待队列是非满状态
            while (count.get() == capacity) {
                notFull.await();
            }
            // 入队
            enqueue(node);
            // 队列元素个数自增，注意，由于这里调用的是getAndIncrement()方法，
        // 不是incrementAndGet()方法，所以返回的是自增之前的值。
            c = count.getAndIncrement();
            // 如果阻塞队列还没有满，就唤醒处于notFull等待队列中的线程
            if (c + 1 < capacity)
                notFull.signal();
        } finally {
            putLock.unlock();
        }
        if (c == 0)
            signalNotEmpty();
    }

具体执行流程为：（1）当调用put(e)时，先获取putLock锁，然后判断队列中是否已满，如果已满，就调用notFull.await()方法，让当前线程进入到notFull的等待对列中，当队列不满时，会调用notFull。signal()方法，唤醒notFull等待队列的线程。 （2）当队列不满时。调用enqueue()方法将元素存入inkedBlockingQueue内部维护的链表中。（3）、但元素入队成功之后，再判断再判断队列是否已满，如果未满，就唤醒notFull队列中的线程。 最后再判断队列在添加元素之前是否有元素，如果没有元素
那么可能有线程等待再notEmpty这个等待队列中，调用signalNotEmpty()方法就会唤醒处于notEmpty等待队列中的线程。

enqueue(node)方法的源码如下。
private void enqueue(Node node) {
    last = last.next = node;
}

offer(e)
offer(e)方法不会阻塞线程，当阻塞队列已经满了时，如果再向阻塞队列中添加元素，那么offer(e)方法会直接返回false，如果元素添加成功，则会返回true。源码如下。

public boolean offer(E e) {
        if (e == null) throw new NullPointerException();
        final AtomicInteger count = this.count;
        //如果阻塞队列满了直接返回false
        if (count.get() == capacity)
            return false;
        int c = -1;
        Node node = new Node(e);
        final ReentrantLock putLock = this.putLock;
        putLock.lock();
        try {
            if (count.get() < capacity) {
            //入队
                enqueue(node);
                c = count.getAndIncrement();
                //未满通知
                if (c + 1 < capacity)
                    notFull.signal();
            }
        } finally {
            putLock.unlock();
        }
        //非空通知
        if (c == 0)
            signalNotEmpty();
            // 如果线程调用putLock.lock()没有获取到锁，那么此时c等于-1，因此会也会返回false
        return c >= 0;
    }

**注意：**offer(e)方法的源码与put(e)方法的源码大部分逻辑一致，不同点就在于代码中标记①的地方。offer(e)在判断队列已满时，会直接返回结束，未满时，才会进行获取putLock锁，然后进行元素添加操作。

offer(e,time,unit)
此方法支持线程超时存放元素，当阻塞队列已满时，当前线程最多等待time时间。如果这段时间依旧没有将元素存入到队列中，那么就会返回false。如果元素添加成功，就返回true。相对于再offer(e)基础上增加了等待超时时间。

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

        if (e == null) throw new NullPointerException();
        long nanos = unit.toNanos(timeout);
        int c = -1;
        final ReentrantLock putLock = this.putLock;
        final AtomicInteger count = this.count;
        putLock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count.get() == capacity) {
                if (nanos <= 0)
                    return false;
                nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
            }
            enqueue(new Node(e));
            c = count.getAndIncrement();
            if (c + 1 < capacity)
                notFull.signal();
        } finally {
            putLock.unlock();
        }
        if (c == 0)
            signalNotEmpty();
        return true;
    }

数据提取：
take()
take（） 方法和put(e)方法对应，take()方法用来从阻塞队列中取出元素。当阻塞对列中没有元素存在时候，当前线程会一直等待，直到阻塞队列不为空。最终返回阻塞对垒中存储的第一个元素。take()方法源码如下。

 public E take() throws InterruptedException {
        E x;
        int c = -1;
        final AtomicInteger count = this.count;
        final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
        takeLock.lockInterruptibly();
        try {
         // 如果阻塞队列中一直没有元素，线程就一直等待，直到队列中有元素后调用notEmpty等待队列的signal()方法
            while (count.get() == 0) {
                notEmpty.await();
            }
              // 当阻塞队列中有元素后，会跳出上面的while循环，然后出阻塞队列
            x = dequeue();
            c = count.getAndDecrement();
            // 如果阻塞队列中还有元素，就唤醒等待在notEmpty等待队列中的线程
            if (c > 1)
                notEmpty.signal();
        } finally {
            takeLock.unlock();
        }
        // 如果在元素出队列前，队列处于已满状态，那么从队列中移出一个元素后，队列就变为非满状态了
     // 此时就唤醒等待在notFull等待队列中的线程
        if (c == capacity)
            signalNotFull();
        return x;
    }

（1）当调用take()方法时，先判断LinkedBlockingQueue中有没有元素，如果没有，就调用notEmpty.await()方法，让当前线程进入到notEmpty这个等待队列中等待。当LinkedBlockingQueue中有元素时，其他线程就会调用notEmpty.signal()方法，就会让当前线程醒来，继续执行后面的逻辑。（2）如果LinkedBlockingQueue中有元素，就调用dequeue()方法从队列中取出元素。取出元素后，再判断队列中是否还有元素，如果还有，则唤醒处于notEmpty这个等待队列中的元素。（3）、最后判断LinkedBlockingQueue是否已满，如果没有满，就调用signalNotFull()方法，唤醒等待在notFull等待队列中的线程。
注意：由发现知道，take 方法中含有唤醒 存入队列元素线程的方法

dequeue() 自行分析源码

poll()
poll()方法也是从LinkedBlockingQueue中取出元素，但是它不会阻塞线程，当LinkedBlockingQueue队列中没有元素时，poll()方法就会直接返回null；有元素时，就会先尝试获取锁，然后再取出元素。源码如下：

public E poll() {
    final AtomicInteger count = this.count;
    // 如果队列为空，就立即返回null，不会阻塞线程
    if (count.get() == 0)
        return null;
    E x = null;
    int c = -1;
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    takeLock.lock();
    try {
        if (count.get() > 0) {
            // 取元素
            x = dequeue();
            c = count.getAndDecrement();
            // 非空通知
            if (c > 1)
                notEmpty.signal();
        }
    } finally {
        takeLock.unlock();
    }
    // 非满通知
    if (c == capacity)
        signalNotFull();
    return x;
}

poll(time,unit)
LinkedBlockingQueue中没有元素时，poll(time,unit)也会阻塞线程，它支持的是超时阻塞。当在time时间内，没有获取到元素时，就会返回null。（例如应用在爬虫中我们会设置1分钟超时取爬取的url,然后另一个线程向这个队列中写入爬虫的url 这样就能很好形成一个爬虫循环）

public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
    E x = null;
    int c = -1;
    long nanos = unit.toNanos(timeout);
    final AtomicInteger count = this.count;
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    takeLock.lockInterruptibly();
    try {
        while (count.get() == 0) {
            // 如果已经超时，直接返回null
            if (nanos <= 0)
                return null;
            // 等待(调用的是LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout))
            nanos = notEmpty.awaitNanos(nanos);
        }
        x = dequeue();
        c = count.getAndDecrement();
        if (c > 1)
            notEmpty.signal();
    } finally {
        takeLock.unlock();
    }
    if (c == capacity)
        signalNotFull();
    return x;
}

poll(time,unit)与take()的区别是，take是一直阻塞，poll(time,unit)是超时阻塞

peek()
peek（） 方法也是从队列中获取元素，但是他只会获取队列中的第一个元素，且不会将元素从队列中移除。

public E peek() {
    if (count.get() == 0)
        return null;
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    takeLock.lock();
    try {
        // 取第一个元素
        Node first = head.next;
        if (first == null)
            return null;
        else
            return first.item;
    } finally {
        takeLock.unlock();
    }
}

从peek()方法的源码中可以发现，peek()仅仅只是取出队列中的第一个元素，但是并没有修改链表的指针指向，因此它不会将元素从队列中删除。

综上：
1、LinkedBlockQueue是一个线程安全的队列，它十一额底层基于链表实现的无界队列，当指定队列容量时，它是一个有界队列。
2、在LinkedBlockingQueue中，取元素和存元素使用的是两把锁。锁的类型是ReentrantLock。它通过使用Condition的等待/通知来实现生产者-消费者模型。
3、由于LinkedBlockingQueue中存元素和取元素使用的是两把锁，存和取可以同时进行，因此他的吞吐量要高于ArrayBlockingQueue。