JUC-并发编程-09-阻塞队列BlockingQueue之LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue和ArrayBlockingQueue都是BlockingQueue的实现，都是阻塞队列。本期将学习LinkedBlockingQueue。

1、继承关系

 2、属性介绍

 static class Node {
		//存放数据
        E item;
		//下一个指针 所以说是单向链表
        Node next;

        Node(E x) { item = x; }
    }
	//聊表容量
    private final int capacity;
	//当前的元素个数
    private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();
	//链表头节点
    transient Node head;
	//链表尾节点
    private transient Node last;
	//出队锁
    private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();
	//出队等待条件	
    private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();
	//入队锁	
    private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();
	//入队等待条件
    private final Condition notFull = putLock.newCondition();

总结：

•  capacity，有容量，可以理解为LinkedBlockingQueue是有界队列
• head, last，链表头、链表尾指针
• takeLock，notEmpty，take锁及其对应的条件
• putLock, notFull，put锁及其对应的条件
• 入队、出队使用两个不同的锁控制，锁分离，提高效率

3、构造函数

    //创建一个容量为int最大值队列
	public LinkedBlockingQueue() {
        this(Integer.MAX_VALUE);
    }
	//指定容量
    public LinkedBlockingQueue(int capacity) {
        if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
        this.capacity = capacity;
        last = head = new Node(null);
    
	 //创建一个容量为int最大值，该容量最初包含给定集合的元素，并以该集合的迭代器的遍历顺序添加。
	 public LinkedBlockingQueue(Collection c) {
        this(Integer.MAX_VALUE);
        final ReentrantLock putLock = this.putLock;
        putLock.lock(); // Never contended, but necessary for visibility
        try {
            int n = 0;
            for (E e : c) {
                if (e == null)
                    throw new NullPointerException();
                if (n == capacity)
                    throw new IllegalStateException("Queue full");
                enqueue(new Node(e));
                ++n;
            }
            count.set(n);
        } finally {
            putLock.unlock();
        }
    }

4、入队

入队同样有四种方法 add offer（E e）put offer（E e,long time,TimeUnit timeUnit）

4.1 add(E e）

public boolean add(E e) {
        if (offer(e))
            return true;
        else
            throw new IllegalStateException("Queue full");
    }
 public boolean offer(E e) {
        if (e == null) throw new NullPointerException();
        final AtomicInteger count = this.count;
        if (count.get() == capacity)
            return false;
        int c = -1;
        Node node = new Node(e);
//入队锁
        final ReentrantLock putLock = this.putLock;
        putLock.lock();
        try {
            if (count.get() < capacity) {
                enqueue(node);
                c = count.getAndIncrement();
                if (c + 1 < capacity)
                    notFull.signal();
            }
        } finally {
            putLock.unlock();
        }
        if (c == 0)
            signalNotEmpty();
        return c >= 0;
    }
 private void enqueue(Node node) {
        last = last.next = node;
    }

其他方式和ArrayBlockingQueue思想差不多不在介绍。这里着重介绍一下put方法

4.2 put（E e）

public void put(E e) throws InterruptedException {
    // 不允许null元素
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    int c = -1;
    // 新建一个节点
    Node node = new Node(e);
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    final AtomicInteger count = this.count;
    // 使用put锁加锁
    putLock.lockInterruptibly();
    try {
        // 如果队列满了，就阻塞在notFull条件上
        // 等待被其它线程唤醒
        while (count.get() == capacity) {
            notFull.await();
        }
        // 队列不满了，就入队
        enqueue(node);
        // 队列长度加1
        c = count.getAndIncrement();
        // 如果现队列长度如果小于容量
        // 就再唤醒一个阻塞在notFull条件上的线程
        // 这里为啥要唤醒一下呢？
        // 因为可能有很多线程阻塞在notFull这个条件上的
        // 而取元素时只有取之前队列是满的才会唤醒notFull
        // 为什么队列满的才唤醒notFull呢？
        // 因为唤醒是需要加putLock的，这是为了减少锁的次数
        // 所以，这里索性在放完元素就检测一下，未满就唤醒其它notFull上的线程
        // 说白了，这也是锁分离带来的代价
        if (c + 1 < capacity)
            notFull.signal();
    } finally {
        // 释放锁
        putLock.unlock();
    }
    // 如果原队列长度为0，现在加了一个元素后立即唤醒notEmpty条件
    if (c == 0)
        signalNotEmpty();
}
private void enqueue(Node node) {
    // 直接加到last后面
    last = last.next = node;
}    
private void signalNotEmpty() {
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    // 加take锁
    takeLock.lock();
    try {
        // 唤醒notEmpty条件
        notEmpty.signal();
    } finally {
        // 解锁
        takeLock.unlock();
    }
}

总结：

• 使用putLock加锁；
• 如果队列满了就阻塞在notFull条件上；
• 否则就入队；
• 如果入队后元素数量小于容量，唤醒其它阻塞在notFull条件上的线程；
• 释放锁；
• 如果放元素之前队列长度为0，就唤醒notEmpty条件；

5、出队

出队同样也有四个方法，我们这里只分析最重要的那一个，take()方法：

public E take() throws InterruptedException {
    E x;
    int c = -1;
    final AtomicInteger count = this.count;
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    // 使用takeLock加锁
    takeLock.lockInterruptibly();
    try {
        // 如果队列无元素，则阻塞在notEmpty条件上
        while (count.get() == 0) {
            notEmpty.await();
        }
        // 否则，出队
        x = dequeue();
        // 获取出队前队列的长度
        c = count.getAndDecrement();
        // 如果取之前队列长度大于1，则唤醒notEmpty
        if (c > 1)
            notEmpty.signal();
    } finally {
        // 释放锁
        takeLock.unlock();
    }
    // 如果取之前队列长度等于容量
    // 则唤醒notFull
    if (c == capacity)
        signalNotFull();
    return x;
}

private E dequeue() {
    // head节点本身是不存储任何元素的
    // 这里把head删除，并把head下一个节点作为新的值
    // 并把其值置空，返回原来的值
    Node h = head;
    Node first = h.next;
    h.next = h; // help GC
    head = first;
    E x = first.item;
    first.item = null;
    return x;
}

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

总结：

• 使用takeLock加锁；
• 如果队列空了就阻塞在notEmpty条件上；
• 否则就出队；
• 如果出队前元素数量大于1，唤醒其它阻塞在notEmpty条件上的线程；
• 释放锁；
• 如果取元素之前队列长度等于容量，就唤醒notFull条件；

6、总结

1. LinkedBlockingQueue采用单链表的形式实现；
2. LinkedBlockingQueue采用两把锁的锁分离技术实现入队出队互不阻塞；
3. LinkedBlockingQueue是有界队列，不传入容量时默认为最大int值；

7、对比 LinkedBlockingQueue与ArrayBlockingQueue

1. ArrayBlockingQueue入队出队采用一把锁，导致入队出队相互阻塞，效率低下；
2. LinkedBlockingQueue入队出队采用两把锁，入队出队互不干扰，效率较高；
3. 二者都是有界队列，如果长度相等且出队速度跟不上入队速度，都会导致大量线程阻塞；
4. LinkedBlockingQueue如果初始化不传入初始容量，则使用最大int值，如果出队速度跟不上入队速度，会导致队列特别长，占用大量内存；