Java多线程Queue总结

Java多线程Queue总结

今天就聊聊这两种Queue，本文分为以下两个部分，用分割线分开：

• BlockingQueue
• ConcurrentLinkedQueue，非阻塞算法

首先来看看 BlockingQueue：
Queue是什么就不需要多说了吧，一句话：队列是先进先出。相对的，栈是后进先出。如果不熟悉的话先找本基础的数据结构的书看看吧。

BlockingQueue，顾名思义，“阻塞队列”：可以提供阻塞功能的队列。
首先，看看BlockingQueue提供的常用方法：

	Throws exception	Special value	Blocks	Times out
Insert	add(e)	offer(e)	put(e)	offer(e, timeout, unit)
Remove	remove()	poll()	take()	poll(timeout, unit)
Examine	element()	peek()	not applicable	not applicable

从上表可以很明显看出每个方法的作用，这个不用多说。我想说的是：

• add(e) remove() element() 方法不会阻塞线程。当不满足约束条件时，会抛出IllegalStateException 异常。例如：当队列被元素填满后，再调用add(e)，则会抛出异常。
• offer(e) poll() peek() 方法即不会阻塞线程，也不会抛出异常。例如：当队列被元素填满后，再调用offer(e)，则不会插入元素，函数返回false。
• 要想要实现阻塞功能，需要调用put(e) take() 方法。当不满足约束条件时，会阻塞线程。

好，上点源码你就更明白了。以 ArrayBlockingQueue类为例：
对于第一类方法，很明显如果操作不成功就抛异常。而且可以看到其实调用的是第二类的方法，为什么？因为第二类方法返回boolean啊。

public boolean add(E e) {
     if (offer(e))
         return true;
     else
         throw new IllegalStateException("Queue full");//队列已满，抛异常
}

public E remove() {
    E x = poll();
    if (x != null)
        return x;
    else
        throw new NoSuchElementException();//队列为空，抛异常
}

注： 先不看阻塞与否，这ReentrantLock的使用方式就能说明这个类是线程安全类。

public boolean offer(E e) {
        if (e == null) throw new NullPointerException();
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            if (count == items.length)//队列已满，返回false
                return false;
            else {
                insert(e);//insert方法中发出了notEmpty.signal();
                return true;
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

public E poll() {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            if (count == 0)//队列为空，返回false
                return null;
            E x = extract();//extract方法中发出了notFull.signal();
            return x;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

对于第三类方法，这里面涉及到Condition类，简要提一下，
await方法指：造成当前线程在接到信号或被中断之前一直处于等待状态。
signal方法指：唤醒一个等待线程。

public void put(E e) throws InterruptedException {
        if (e == null) throw new NullPointerException();
        final E[] items = this.items;
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try { flex对应java数据类型
            try {
                while (count == items.length)//如果队列已满，等待notFull这个条件，这时当前线程被阻塞
                    notFull.await();
            } catch (InterruptedException ie) {
                notFull.signal(); //唤醒受notFull阻塞的当前线程
                throw ie;
            }
            insert(e);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

public E take() throws InterruptedException {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            try {
                while (count == 0)//如果队列为空，等待notEmpty这个条件，这时当前线程被阻塞
                    notEmpty.await();
            } catch (InterruptedException ie) {
                notEmpty.signal();//唤醒受notEmpty阻塞的当前线程
                throw ie;
            }
            E x = extract();
            return x;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

第四类方法就是指在有必要时等待指定时间，就不详细说了。

再来看看BlockingQueue接口的具体实现类吧：

• ArrayBlockingQueue，其构造函数必须带一个int参数来指明其大小
• LinkedBlockingQueue，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
• PriorityBlockingQueue，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

上面是用ArrayBlockingQueue举得例子，下面看看 LinkedBlockingQueue：
首先，既然是链表，就应该有Node节点，它是一个内部静态类：

static class Node<E> {  
        /** The item, volatile to ensure barrier separating write and read */  
        volatile E item;  
        Node<E> next;  
        Node(E x) { item = x; }  
    }  

然后，对于链表来说，肯定需要两个变量来标示头和尾：

    /** 头指针 */  
    private transient Node<E> head;  //head.next是队列的头元素
    /** 尾指针 */  
    private transient Node<E> last;  //last.next是null

么，对于入队和出队就很自然能理解了：

    private void enqueue(E x) {  
        last = last.next = new Node<E>(x);  //入队是为last再找个下家
    }  
 
    private E dequeue() {  
        Node<E> first = head.next;  //出队是把head.next取出来，然后将head向后移一位
        head = first;  
        E x = first.item;  
        first.item = null;  
        return x;  
    }  

另外，LinkedBlockingQueue相对于ArrayBlockingQueue还有不同是，有两个ReentrantLock，且队列现有元素的大小由一个AtomicInteger对象标示。
注：AtomicInteger类是以原子的方式操作整型变量。

    private final AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
    /** 用于读取的独占锁*/  
    private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();  
    /** 队列是否为空的条件 */  
    private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();  
    /** 用于写入的独占锁 */  
    private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();  
    /** 队列是否已满的条件 */  
    private final Condition notFull = putLock.newCondition();

有两个Condition很好理解，在ArrayBlockingQueue也是这样做的。但是为什么需要两个ReentrantLock呢？下面会慢慢道来。
让我们来看看offer和poll方法的代码：

    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;
        final ReentrantLock putLock = this.putLock;//入队当然用putLock
        putLock.lock();
        try {
            if (count.get() < capacity) {
                enqueue(e); //入队
                c = count.getAndIncrement(); //队长度+1
                if (c + 1 < capacity)
                    notFull.signal(); //队列没满，当然可以解锁了
            }
        } finally {
            putLock.unlock();
        }
        if (c == 0)
            signalNotEmpty();//这个方法里发出了notEmpty.signal();
        return c >= 0;
    }

   public E poll() {
        final AtomicInteger count = this.count;
        if (count.get() == 0)
            return null;
        E x = null;
        int c = -1;
        final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;出队当然用takeLock
        takeLock.lock();
        try {
            if (count.get() > 0) {
                x = dequeue();//出队
                c = count.getAndDecrement();//队长度-1
                if (c > 1)
                    notEmpty.signal();//队列没空，解锁
            }
        } finally {
            takeLock.unlock();
        }
        if (c == capacity)
            signalNotFull();//这个方法里发出了notFull.signal();
        return x;
    }

看看源代码发现和上面ArrayBlockingQueue的很类似，关键的问题在于： 为什么要用两个ReentrantLockputLock和takeLock？
我们仔细想一下，入队操作其实操作的只有队尾引用last，并且没有牵涉到head。而出队操作其实只针对head，和last没有关系。那么就 是说入队和出队的操作完全不需要公用一把锁，所以就设计了两个锁，这样就实现了多个不同任务的线程入队的同时可以进行出队的操作，另一方面由于两个操作所 共同使用的count是AtomicInteger类型的，所以完全不用考虑计数器递增递减的问题。
另外，还有一点需要说明一下：await()和singal()这两个方法执行时都会检查当前线程是否是独占锁的当前线程，如果不是则抛出 java.lang.IllegalMonitorStateException异常。所以可以看到在源码中这两个方法都出现在Lock的保护块中。