并发队列之LinkedBlockingQueue

2020-02-08 16:01:32来源：博客园阅读 ()

并发队列之LinkedBlockingQueue

　　上一篇我们看了一下这个队列ConcurrentLinkedQueue，那就是一个无界非阻塞链表，我们这次来看看LinkedBlockingQueue，这个队列看名字就知道是一个阻塞式队列(也就是一个单向链表)，基于独占锁实现的，比较简单；

一.LinkedBlockingQueue基本结构

　　内部也是有一个Node类，下图所示，item存实际数据，next指向下一个节点，一个有参构造器，没啥好说的；

　　我们可以看看这个队列有的一些属性，其实大概能猜出来就是生产者消费者模型：

//队列实际容量
private final int capacity;
//这个原子变量记录节点数量
private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();
//头节点
transient Node<E> head;
//尾节点
private transient Node<E> last;
//这个锁用于控制多个线程从队列头部获取元素
private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();
//当队列为空，执行出队操作的线程就放到这条件变量里来
private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();
//用于控制多个线程往队列尾部添加元素
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();
//如果队列满了，执行入队操作的线程就丢到这里面来
private final Condition notFull = putLock.newCondition();

　　构造器中可以看到，默认最大数量就是65536个，虽然说也可以指定大小，我们一定程度上可以说这是一个有界阻塞队列；

//默认队列最大的数量就是65536个
public LinkedBlockingQueue() {
        this(Integer.MAX_VALUE);
    }
//也可以指定队列大小，默认头节点和尾节点都是指向哨兵节点
public LinkedBlockingQueue(int capacity) {
    if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
    this.capacity = capacity;
    last = head = new Node<E>(null);
}
//也可以传一个实现Collection接口的类，比如List，然后遍历将其中的元素封装成节点丢到队列中去
//注意这里获取锁和释放锁
public LinkedBlockingQueue(Collection<? extends E> 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>(e));
            ++n;
        }
        count.set(n);
    } finally {
        putLock.unlock();
    }
}

　　我们简单的介绍了这个队列的基本结构，现在我们可以看看一些重要的方法；　

二.offer方法

　　这个方法向队列最后添加一个元素，插入成功返回true，如果队列满了，就抛弃当前元素返回false；

public boolean offer(E e) {
    //如果为null，就直接抛错
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    //count表示队列中实际数量
    final AtomicInteger count = this.count;
    //如果实际数量和队列最大容量相同，那么就不能再添加了，返回false
    if (count.get() == capacity)
        return false;
    int c = -1;
    //将元素封装成Node节点
    Node<E> node = new Node<E>(e);
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    //获取锁
    putLock.lock();
    try {
        //队列没有满，就把新的节点丢进去，递增计数器，为什么这里要进行判断呢？上面不是进行判断了么？
        //还是由于并发，如果在上面那里判断容量之后，当前线程还没有获取锁，此时一个其他线程先获取锁然后执行offer方法然后释放锁，那么
        //这里需要再判断一次
        if (count.get() < capacity) {
            enqueue(node);
　　　　　　　　//注意getAndIncrement和incrementAndGet方法的区别，前者是返回自增之前的值，后者是返回自增之后的值
            c = count.getAndIncrement();
            //这里判断如果队列还没有满，就唤醒之前notFully条件队列中的线程，前面说过了notfull中存放的是什么线程
            if (c + 1 < capacity)
                notFull.signal();
        }
    } finally {
        //释放锁
        putLock.unlock();
    }
    //如果c==0，表示队列中在添加节点之前就已经有一个节点了，就唤醒条件变量notEmpty中的线程，这些线程就会从队列中去取数据
    if (c == 0)
        signalNotEmpty();
    return c >= 0;
}

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

三.put方法

　　这个方法在队列尾部插入一个元素，如果队列有空闲则插入后直接返回，否则就阻塞当前线程直到队列空闲再插入；而且当前线程在阻塞的时候被其他线程调用了中断方法，就会抛异常；

public void put(E e) throws InterruptedException {
    //如果插入的元素为null，直接抛异常
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    int c = -1;
    //封装成一个节点
    Node<E> node = new Node<E>(e);
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    //原子变量记录队列中节点数量
    final AtomicInteger count = this.count;
    //这个方法后面带有Interruptibly，说明当前线程获取锁后是可中断的
    putLock.lockInterruptibly();
    try {
        //节点数量到达了最大容量，就将当前线程放到条件变量notFull的队列中
        while (count.get() == capacity) {
            notFull.await();
        }
        //节点数量没有到最大，就在链表最后添加节点
        enqueue(node);
        //计数器加一，注意如果count等于4，那么c还是等于4，这个方法是原子自增，返回原来的值，注意和incrementAndGet方法的区别
        c = count.getAndIncrement();
        //这里如果c+1<capacity的话，说明队列还没有满，就唤醒notFull中的线程可以往队列中添加元素
        if (c + 1 < capacity)
            notFull.signal();
    } finally {
        //释放锁
        putLock.unlock();
    }
    //如果c==0表示队列中添加节点之前就已经有了一个节点，唤醒notEmpty中的线程去队列中取数据
    if (c == 0)
        signalNotEmpty();
}

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

四.poll方法

　　这个方法是从头部移除一个元素，如果队列为空就返回null，这个方法不阻塞；

public E poll() {
    //记录队列中节点数量
    final AtomicInteger count = this.count;
    //如果队列为空就返回null
    if (count.get() == 0)
        return null;
    E x = null;
    int c = -1;
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    //获取锁
    takeLock.lock();
    try {
        //这里再判断一次也是为了防止在获取锁之前其他线程调用了poll方法取了节点
        //如果队列不为空，计数器减一
        if (count.get() > 0) {
            //删除第一个有数据的节点（由于第一个节点是哨兵节点，所以相当于删除的是第二个节点），方法实现在下面
            x = dequeue();
            c = count.getAndDecrement();
            //如果c>1说明移除头节点之后，队列不为空，就唤醒notEmpty中条件队列中的线程去队列中取数据
            if (c > 1)
                notEmpty.signal();
        }
    } finally {
        //释放锁
        takeLock.unlock();
    }
    //这里这个判断，注意一下在原子类AtomicInteger中两个方法，比如初始值为5，那么调用decrementAndGet方法返回的事4，
    //而调用getAndDecrement方法返回的是5，我们这里额c调用的是后者，所以表示删除节点之前队列的数量
    //所以这里的意思就是：如果删除队列之前的数量等于队列最大容量，那么删除之后队列肯定有空位置，于是就唤醒notFull条件队列中的线程
    //往队列中添加新的节点
    if (c == capacity)
        signalNotFull();
    return x;
}
//这个方法很简单稍微提一下，就是将第一个哨兵节点自己引用自己，更好的被gc收集
//将head指向第二个节点，取出该节点的值，然后将该节点内的item置为null，此节点就变成了一个哨兵节点
private E dequeue() {
    //删除头节点
    Node<E> h = head;
    Node<E> 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 {
        notFull.signal();
    } finally {
        putLock.unlock();
    }
}

五.peek方法

　　这个方法获取队列头部元素但是不移除该节点；

public E peek() {
    //队列为空，返回null
    if (count.get() == 0)
        return null;
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    takeLock.lock();
    try {
        //如果头节点的下一个节点是空，就返回null，因为此时头节点指的是哨兵节点啊
        Node<E> first = head.next;
        if (first == null)
            return null;
        else
        //头节点的下一个节点不为空，那么下一个节点肯定有数据，拿过来就行了
            return first.item;
    } finally {
        takeLock.unlock();
    }
}

六.take方法

　　当前方法跟peek方法基本一样，只不过这个方法是阻塞的：从队列头删除一个节点，如果队列为空则阻塞当前线程直到队列不为空再执行操作，如果在阻塞的时候其他线程修改了中断标志，那么该线程就抛错；

//这个方法其实和poll方法基本一样，没什么好说的，注意可以抛异常
public E take() throws InterruptedException {
    E x;
    int c = -1;
    final AtomicInteger count = this.count;
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    //注意这里获取锁的方式
    takeLock.lockInterruptibly();
    try {
        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;
}

七.remove方法

　　删除队列中某个指定的元素，删除成功返回true，失败返回false；

public boolean remove(Object o) {
    //传入的是null，直接返回false
    if (o == null) return false;
    //获取两个锁，方法实现如下，在删除节点的时候，不能进行入队和出队操作，那些线程会被阻塞丢到AQS队列里
    fullyLock();
    try {
        //遍历找到对应的节点，删除掉，没找到返回false
        for (Node<E> trail = head, p = trail.next; p != null; trail = p, p = p.next) {
            if (o.equals(p.item)) {
                //删除节点的具体方法，实现在下面
                unlink(p, trail);
                return true;
            }
        }
        return false;
    } finally {
        //释放两个锁，注意释放锁的顺序要和获取锁的顺序相反哟
        fullyUnlock();
    }
}

void fullyLock() {
    putLock.lock();
    takeLock.lock();
}
void fullyUnlock() {
    takeLock.unlock();
    putLock.unlock();
}

//删除其实很容易，就是跟普通链表的删除一样，就是把当前要删除的节点前面的节点指向后面的节点
void unlink(Node<E> p, Node<E> trail) {
    p.item = null;
    trail.next = p.next;
    if (last == p)
        last = trail;
    //还是注意getAndDecrement方法返回的是减一之前的值，如果减一之后队列不是满的，就唤醒notFull中条件队列中的线程往队列中添加节点
    if (count.getAndDecrement() == capacity)
        notFull.signal();
}

八.总结

　　我们简单的看了看LinkedBlockingQueue中一些比较重要的方法，比上一篇的ConcurrentLinkedQueue容易好多呀！

　　其中ConcurrentLinkedQueue是无界非阻塞队列，底层是用单向链表实现，入队和出队使用CAS实现；而LinkedBlockingQueue是有界阻塞队列，底层是用单向链表实现，入队和出队分别用独占锁的方式去处理，所以入队和出队是可以同时进行的，而且还为两个独占锁配置了两个条件队列，用于存放被阻塞的线层，注意，这里涉及到好几个队列，一个是独占锁的AQS队列，一个是条件队列，一个是存放数据的队列，不要弄混淆了啊！

　　用下面这个图强化记忆：