ArrayBlockingQueue詳解

来源:https://www.cnblogs.com/chafry/archive/2022/10/11/16780051.html
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ArrayBlockingQueue介紹 ArrayBlockingQueue是最典型的有界阻塞隊列，其內部是用數組存儲元素的，初始化時需要指定容量大小，利用 ReentrantLock 實現線程安全。 在生產者-消費者模型中使用時，如果生產速度和消費速度基本匹配的情況下，使用ArrayBlocki ...


ArrayBlockingQueue介紹

　　ArrayBlockingQueue是最典型的有界阻塞隊列，其內部是用數組存儲元素的，初始化時需要指定容量大小，利用 ReentrantLock 實現線程安全。

　　在生產者-消費者模型中使用時，如果生產速度和消費速度基本匹配的情況下，使用ArrayBlockingQueue是個不錯選擇；當如果生產速度遠遠大於消費速度，則會導致隊列填滿，大量生產線程被阻塞。

　　使用獨占鎖ReentrantLock實現線程安全，入隊和出隊操作使用同一個鎖對象，也就是只能有一個線程可以進行入隊或者出隊操作；這也就意味著生產者和消費者無法並行操作，在高併發場景下會成為性能瓶頸。

 

ArrayBlockingQueue的源碼分析

　　【1】屬性值

/** 隊列元素數組 */
final Object[] items;
/** 下一個被take，poll，peek，remove的元素位置 */
int takeIndex;
/** 插入位置包含put，offer，add */
int putIndex;
/** 隊列元素的數量 */
int count;
/** 重入鎖 */
final ReentrantLock lock;
/** 等待獲取的條件隊列 */
private final Condition notEmpty;
/** 等待插入的條件隊列 */
private final Condition notFull;
//迭代器的共用狀態
transient Itrs itrs = null;

 

　　【2】構造函數

//預設採用非公平鎖
public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
    this(capacity, false);
}


public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
    if (capacity <= 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    this.items = new Object[capacity];
    lock = new ReentrantLock(fair);
    notEmpty = lock.newCondition();
    notFull =  lock.newCondition();
}

public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair,Collection<? extends E> c) {
    //初始化阻塞隊列
    this(capacity, fair);
    //加鎖將數組元素填入阻塞隊列（主要是考慮到重排序和可見性問題，因為Object[] items 並沒有加上 volatile 屬性）
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock(); // Lock only for visibility, not mutual exclusion
    try {
        int i = 0;
        try {
            for (E e : c) {
                checkNotNull(e);
                items[i++] = e;
            }
        } catch (ArrayIndexOutOfBoundsException ex) {
            throw new IllegalArgumentException();
        }
        count = i;
        //將插入位置下變更
        putIndex = (i == capacity) ? 0 : i;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

 

　　【3】核心方法分析

　　　　1）入隊put方法

public void put(E e) throws InterruptedException {
    //檢查是否為空
    checkNotNull(e);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    //加鎖，如果線程中斷拋出異常 
    lock.lockInterruptibly();
    try {
       //阻塞隊列已滿，則將生產者掛起，等待消費者喚醒
       //設計註意點： 用while不用if是為了防止虛假喚醒
        while (count == items.length)
            notFull.await(); //隊列滿了，使用notFull等待（生產者阻塞）
        // 入隊
        enqueue(e);
    } finally {
        lock.unlock(); // 喚醒消費者線程
    }
}
    
private void enqueue(E x) {
    final Object[] items = this.items;
    //入隊   使用的putIndex
    items[putIndex] = x;
    if (++putIndex == items.length) 
        putIndex = 0;  //設計的精髓： 環形數組，putIndex指針到數組盡頭了，返回頭部
    count++;
    //notEmpty條件隊列轉同步隊列，準備喚醒消費者線程，因為入隊了一個元素，肯定不為空了
    notEmpty.signal();
}

 

　　　　2）出隊take方法

public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    //加鎖，如果線程中斷拋出異常 
    lock.lockInterruptibly();
    try {
       //如果隊列為空，則消費者掛起
        while (count == 0)
            notEmpty.await();
        //出隊
        return dequeue();
    } finally {
        lock.unlock();// 喚醒生產者線程
    }
}
private E dequeue() {
    final Object[] items = this.items;
    @SuppressWarnings("unchecked")
    E x = (E) items[takeIndex]; //取出takeIndex位置的元素
    items[takeIndex] = null;
    if (++takeIndex == items.length)
        takeIndex = 0; //設計的精髓： 環形數組，takeIndex 指針到數組盡頭了，返回頭部
    count--;
    if (itrs != null)
        itrs.elementDequeued();
    //notFull條件隊列轉同步隊列，準備喚醒生產者線程，此時隊列有空位
    notFull.signal();
    return x;
}

 

　　　　3）其餘offer&poll&peek&remove方法

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

//本質區別在於設置了超時時間，超時後選擇不加入，返回false
public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {

    checkNotNull(e);
    long nanos = unit.toNanos(timeout);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        while (count == items.length) {
            if (nanos <= 0)
                return false;
            //生產線程堵塞nanos時間，也有可能被喚醒，如果超過nanos時間還未被喚醒，則nanos=0，再次迴圈，就會返回false
            nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
        }
        enqueue(e);
        return true;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

public E poll() {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        return (count == 0) ? null : dequeue();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

//本質區別在於設置了超時時間，超時後選擇不獲取，返回null
public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
    long nanos = unit.toNanos(timeout);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        while (count == 0) {
            if (nanos <= 0)
                return null;
            nanos = notEmpty.awaitNanos(nanos);
        }
        return dequeue();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

public E peek() {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        //通過下標查找直接返回
        return itemAt(takeIndex); // null when queue is empty
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

final E itemAt(int i) {
    return (E) items[i];
}

public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) return false;
    final Object[] items = this.items;
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        if (count > 0) {
            final int putIndex = this.putIndex;
            int i = takeIndex;
            do {
                if (o.equals(items[i])) {
                    removeAt(i);
                    return true;
                }
                if (++i == items.length)
                    i = 0;
            } while (i != putIndex);
        }
        return false;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

void removeAt(final int removeIndex) {
    final Object[] items = this.items;
    if (removeIndex == takeIndex) {
        // removing front item; just advance
        items[takeIndex] = null;
        if (++takeIndex == items.length)
            takeIndex = 0;
        count--;
        if (itrs != null)
            itrs.elementDequeued();
    } else {
        final int putIndex = this.putIndex;
        for (int i = removeIndex;;) {
            int next = i + 1;
            if (next == items.length)
                next = 0;
            if (next != putIndex) {
                items[i] = items[next];
                i = next;
            } else {
                items[i] = null;
                this.putIndex = i;
                break;
            }
        }
        count--;
        if (itrs != null)
            itrs.removedAt(removeIndex);
    }
    notFull.signal();
}

 

ArrayBlockingQueue總結

　　【1】有界阻塞隊列，先進先出，存取相互排斥

　　【2】數據結構：靜態數組（容量固定須指定長度，沒有擴容機制，沒有元素的位置也占用空間，被null占位）

　　【3】ReentrantLock鎖保證互斥性：存取都是同一把鎖，操作的是同一個數組對象，存取相互排斥

　　【4】阻塞對象（notEmpty【出隊：隊列count=0，無元素可取時，阻塞在該對象上】，notFull【入隊：隊列count=length，放不進元素時，阻塞在該對象上】）

　　【5】入隊，從隊首開始添加元素，記錄putIndex（到隊尾時設置為0），喚醒notEmpty

　　【6】出隊，從隊首開始添加元素，記錄takeIndex（到隊尾時設置為0），喚醒notFull

　　【7】兩個指針都是從隊首向隊尾移動，保證隊列的先進先出原則（亮點：利用指針和數組，形成環狀結構，重覆利用記憶體空間）

 


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