阻塞队列ArrayBlockingQueue，LinkedBlockingQueue源码剖析

1.阻塞队列用途以及特征

1.1 继承结构

首先我们来看一看阻塞队列家族

BlockingQueue接口定义了以下方法

• boolean add(E e);
• boolean offer(E e);
• boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
• void put(E e) throws InterruptedException;
• E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
• E take() throws InterruptedException;

无非就是“入队”和“出队”两类动作，全部交由五个不同的实现类实现。

1.2 用途

• ArrayBlockingQueue 有界的任务队列
• LinkedBlockingQeque 无界的任务队列，除非资源耗尽，不会存在任务入队失败的情况，有耗尽内存的风险（也可以指定大小，若不指定为Integer.MAX_VALUE）
• SynchronousQueue
• PriorityBlockingQueue
• DelayedWorkQueue

1.3 与普通队列的区别

2.ArrayBlockingQueue源码剖析

2.1 数据结构与类变量

听名字我们就知道他的数据结构一定是数组，除此之外，数组上具有两个指针，分别指向头尾，头表示下一个该出队的元素，尾表示下一个该入队的元素位置。

// 数据结构-数组
final Object[] items;
// 下一个该出队的元素 头指针
int takeIndex;
// 下一个该入队的元素位置 尾指针
int putIndex;
// 数组中存在的元素个数
int count;

下一步，我们考虑阻塞的实现，队列存在两种等待条件，一种是队列空时，出队需要等待，一种是队列满时，入队需要等待，synchronized只有一个等待条件，不符合要求，因此使用ReentrantLock。

// 锁
final ReentrantLock lock;
// 队列空时的等待队列
private final Condition notEmpty;
// 队列满时的等待队列
private final Condition notFull;

2.2 构造方法

数组构造方法一定需要指定容量，因为数组需要预分配空间，

	public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
        this(capacity, false);
	}
	public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
        if (capacity <= 0)
            throw new IllegalArgumentException();
        // 预分配空间
        this.items = new Object[capacity];
        // 初始化锁与条件
        lock = new ReentrantLock(fair);
        notEmpty = lock.newCondition();
        notFull =  lock.newCondition();
    }

2.3 入队

首先，我们实现在不使用锁的情况下进行入队方法，再在外层套一层壳即可。

	private void enqueue(E x) {
        final Object[] items = this.items;
        // 直接给尾指针赋值
        items[putIndex] = x;
        if (++putIndex == items.length)
            putIndex = 0;
        // 队列当前元素加一
        count++;
        // 通知等待队列不空的线程
        notEmpty.signal();
    }

下面，为确保线程安全，需要使用锁，而有三个操作都能入队，它们的实现也有细微区别，它们分别是：

• boolean add(E e) 实际调用的还是offer，当offer返回false时，抛出异常
• boolean offer(E e) 添加成功返回true，失败（队列满）返回false
• void put(E e) throws InterruptedException 添加失败（队列满）阻塞

先来看看offer的实现，

	public boolean offer(E e) {
        checkNotNull(e);
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
        	// 队列满时，返回false
            if (count == items.length)
                return false;
            // 入队
            else {
                enqueue(e);
                return true;
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

在入队之前，先锁住队列实例，除开本线程外，其他线程既不能入队也不能出队。
add就是在offer基础上套一层判断，

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

而put的实现，无非就是在判断队列满时，当前线程进入notNull等待队列等待，lockInterruptibly是指当线程阻塞时，能响应中断，注意线程等待一般都需要使用while，让线程再度检查。

	public void put(E e) throws InterruptedException {
        checkNotNull(e);
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
        	// 队列满时，等待
            while (count == items.length)
                notFull.await();
            enqueue(e);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

2.4 出队

同样，先看在不加锁时的出队方法，

	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;
        // 环形
        if (++takeIndex == items.length)
            takeIndex = 0;
        count--;
        if (itrs != null)
            itrs.elementDequeued();
        // 通知等待队列不满的线程
        notFull.signal();
        return x;
    }

可以发现，由于双指针，入队和出队从逻辑上首位连到了一起，成了环形数组。
与入队一样，有两个操作都能出队，

• E poll() 成功返回出队的元素，失败（队列空）返回null
• E take() 成功返回出队的元素，失败该线程阻塞

先来看poll的实现，

	public E poll() {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
        	// 若队列空，则返回null
            return (count == 0) ? null : dequeue();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

在出队之前，先锁住队列实例，并且使用try catch来保证锁释放。
take()的实现已经呼之欲出了，

	public E take() throws InterruptedException {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == 0)
                notEmpty.await();
            return dequeue();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

在队列空时，进入notEmpty等待，等待队列不空这个条件。

3.LinkedBlockingQueue源码剖析

3.1 数据结构与类变量

看到Linked，就知道它的数据结构一定是链表，链表需要定义节点，

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

也就是节点的元素，节点的next指针。
与数组实现类似，该链表需要头尾指针，链表的最大容量（默认为Integer.MAX_VALUE），和当前链表中存储的元素数量（使用并发安全的Integer，这是由于链表实现使用两把锁，不能保证并发安全）。

transient Node<E> head;
private transient Node<E> last;
private final int capacity;
private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();

阻塞的实现和ArrayBlockingQueue有些许不同，我们知道，数组形式的实现入队出队使用的是同一把锁，而链表实现入队和出队使用两把不同的锁，入队与出队不再互斥，效率更高。

// 出队锁
private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();
// 入队锁
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();
// 两个条件变量
private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();
private final Condition notFull = putLock.newCondition();

3.2 构造方法

无参构造，调用有参构造，默认链表容量为Integer.MAX_VALUE

	public LinkedBlockingQueue() {
        this(Integer.MAX_VALUE);
    }

有参构造，初始化容量，头尾指针指向null的头结点。

	public LinkedBlockingQueue(int capacity) {
        if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
        this.capacity = capacity;
        // 带头结点的链表
        last = head = new Node<E>(null);
    }

3.3 入队

首先是不使用锁的实现，尾插法，直接将node接到尾节点last后。

	private void enqueue(Node<E> node) {
        last = last.next = node;
    }

然后加上锁，特别的，这里是入队锁（putLock)，有两种入队方式

• boolean add(E e) 实际调用的还是offer，当offer返回false时，抛出异常
• boolean offer(E e) 入队成功返回true，失败返回false
• void put(E e) 入队失败（队列满），阻塞

首先看一下offer的实现，

	public boolean offer(E e) {
        if (e == null) throw new NullPointerException();
        final AtomicInteger count = this.count;
        // 容量已满
        if (count.get() == capacity)
            return false;
        int c = -1;
        Node<E> node = new Node<E>(e);
        final ReentrantLock putLock = this.putLock;
		// 入队锁
        putLock.lock();
        try {
        	// 再次检查容量（双重检查）
            if (count.get() < capacity) {
                enqueue(node);
                c = count.getAndIncrement();
                if (c + 1 < capacity)
                	// 通知入队阻塞线程
                    notFull.signal();
            }
        } finally {
            putLock.unlock();
        }
        if (c == 0)
        	// 如果队列中加入的元素是第一个，通知出队阻塞线程
            signalNotEmpty();
        return c >= 0;
    }

可以发现，链表结构的入队与数组结构的入队大不相同，首先，链表入队使用的是入队锁，其次，入队阻塞线程不完全由出队线程唤醒，而是可以由入队线程唤醒。
如果队列中加入的元素是第一个，则需要去唤醒出队阻塞线程，

	private void signalNotEmpty() {
        final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
        takeLock.lock();
        try {
            notEmpty.signal();
        } finally {
            takeLock.unlock();
        }
    }

这是由于使用了两把锁，若入队阻塞线程都由出队线程唤醒，那么，出队线程在出队后，又要去获得入队锁唤醒线程，那么这两把锁就相当于还是一把，因为每次操作都要同时获得两把锁。

put的实现也就在offer基础上，改变了队满的处理方法而已。

public void put(E e) throws InterruptedException {
        if (e == null) throw new NullPointerException();
        int c = -1;
        Node<E> node = new Node<E>(e);
        final ReentrantLock putLock = this.putLock;
        final AtomicInteger count = this.count;
        putLock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count.get() == capacity) {
                // 线程阻塞
                notFull.await();
            }
            enqueue(node);
            c = count.getAndIncrement();
            if (c + 1 < capacity)
                notFull.signal();
        } finally {
            putLock.unlock();
        }
        if (c == 0)
            signalNotEmpty();
    }

3.4 出队

同样先看不使用锁的实现，

	private E dequeue() {
        // assert takeLock.isHeldByCurrentThread();
        // assert head.item == null;
        Node<E> h = head;
        Node<E> first = h.next;
        // 头结点断开
        h.next = h; // help GC
        head = first;
        // 取出第一个结点的元素
        E x = first.item;
        // 第一个结点成为新的头结点
        first.item = null;
        return x;
    }

出队的实现有些特殊，将头结点断开，取出第一个结点的元素，并让第一个结点成为头节点（置null）。
现在我们加上出队锁，

• E poll() 成功返回出队的元素，失败（队列空）返回null
• E take() throws InterruptedException 成功返回出队的元素，失败该线程阻塞

首先看poll()方法，

	public E poll() {
        final AtomicInteger count = this.count;
        // 队列为空
        if (count.get() == 0)
            return null;
        // 返回的元素，默认为空
        E x = null;
        int c = -1;
        final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
        // 出队锁
        takeLock.lock();
        try {
        	// 双重检查，拿到锁后再次检查队列
            if (count.get() > 0) {
            	// 出队
                x = dequeue();
                c = count.getAndDecrement();
                // 若队里还有元素，通知其他出队线程
                if (c > 1)
                    notEmpty.signal();
            }
        } finally {
            takeLock.unlock();
        }
        // 从满队出队，通知入队线程
        if (c == capacity)
            signalNotFull();
        return x;
    }

使用出队锁保证与入队动作无阻塞，同样，出队线程去通知另外的出队线程，当从满队出队时，去通知入队线程。

看懂了poll，take的实现也就小菜一碟了，

	public E take() throws InterruptedException {
        E x;
        int c = -1;
        final AtomicInteger count = this.count;
        final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
        takeLock.lockInterruptibly();
        try {
        	// 当队列为空时，等待队列不空
            while (count.get() == 0) {
                notEmpty.await();
            }
            x = dequeue();
            c = count.getAndDecrement();
            if (c > 1)
                notEmpty.signal();
        } finally {
            takeLock.unlock();
        }
        if (c == capacity)
            signalNotFull();
        return x;
    }

使用while循环，当再度被唤醒时，再次校验当前元素数量。