11.并发包阻塞队列之LinkedBlockingQueue

Posted 2020-09-22 CoderBuff

jdk1.7.0_79 

　　在上文《10.并发包阻塞队列之ArrayBlockingQueue》中简要解析了ArrayBlockingQueue部分源码，在本文中同样要介绍的是Java并发包中的阻塞队列LinkedBlockingQueue。ArrayBlockingQueue队列是由数组实现，而LinkedBlockingQueue队列的实现则是链表（单向链表）实现，所以在LinkedBlockingQueue有一个Node内部类来表示链表的节点。 　

static final class Node<E> { 
　　E item;//入队元素 
　　Node<E> next;//指向后继节点 
　　Node(E x) { 
　　　　item = x; 
　　} 
} 

　　同样它也有3个构造方法，与ArrayBlockingQueue略有不同。

 1 public LinkedBlockingQueue() { 
 2 　　this(Integer.MAX_VALUE)//默认构造容量为int型的最大值队列 
 3 } 
 4 public LinkedBlockingQueue(int capacity) { 
 5 　　if (capacity <= o) throw new IllegalArgumentException(); 
 6 　　this.capacity = capacity; 
 7 　　last = head = new Node<E>(null);//头指针和尾指针指向头节点（null） 
 8 } 
 9 public LinkedBlockingQueue(Collection<? extends E> c ) { 
10 　　this(Integer.MAX_VALUE); 
11 　　final ReentrantLock putLock = this.putLock; 
12 　　putLock.lock();//这里和ArrayBlockingQueue也会获取锁，但它同样不是为了互斥操作，同样也是为了保证其可见性。 
13 　　try { 
14    　　 int n = 0; 
15     　　for (E e : c) { 
16        　　 if (e == null) 
17           　　  throw new NullPointerException(); 
18　　         if (n == capacity) 
19   　　          throw new IllegalStateException("Queue full"); 
20      　　   enqueue(new Node<E>(e));//入队 
21         　　++n; 
22     　　} 
23     　　count.set(n); 
24 　　} finally { 
25    　　 putLock.unlock(); 
26 　　} 
27 } 

　　在第12行中获取锁是为了保证可见性，这个的原因我认为是，线程T1是实例化LinkedBlockingQueue对象，T2是对实例化的LinkedBlockingQueue对象做入队操作（当然要保证T1和T2的执行顺序），如果不对它进行加锁操作（加锁会保证其可见性，也就是写回主存），T1的集合c有可能只存在T1线程维护的缓存中，并没有写回主存，T2中实例化的LinkedBlockingQueue维护的缓存以及主存中并没有集合c，此时就因为可见性造成数据不一致的情况，引发线程安全问题。  

　　在了解完LinkedBlockingQueue的构造方法后，我们回过头来看LinkedBlockingQueue的两个成员变量： 

private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock(); 
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock(); 

　　可见LinkedBlockingQueue中有两个锁，一个是为了锁住入队操作，一个是为了锁住出队操作。而在ArrayBlockingQueue中则只有一个锁，同时锁住队列的入队、出队操作。 

private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition(); 
private final Condition notFull = putLock.newCondition(); 

　　这两个成员变量则是线程等待队列，一个是出队锁上的等待队列，一个是入队锁上的等待队列。在ArrayBlockingQueue也有两个等待队列，一个是非空等待队列，另一个则是非满等待队列，在这一点上两者一致。 

队列元素的插入 

	抛出异常	返回值（非阻塞）	一定时间内返回值	返回值（阻塞）
插入	add(e)//队列未满时，返回true；队列满则抛出IllegalStateException(“Queue full”)异常——AbstractQueue	offer(e)//队列未满时，返回true；队列满时返回false。非阻塞立即返回。	offer(e, time, unit)//设定等待的时间，如果在指定时间内还不能往队列中插入数据则返回false，插入成功返回true。	put(e)//队列未满时，直接插入没有返回值；队列满时会阻塞等待，一直等到队列未满时再插入。

　　LinkedBlockingQueue中并没有像ArrayBlockingQueue那样重写了AbstractQueue的add方法而直接调用父类的add方法，所以LinkedBlockingQueue#add方法与ArrayBlockingQueue#add一样，都是直接调用其AbstractQueue。

//AbstractQueue#add，这是一个模板方法，只定义add入队算法骨架，成功时返回true，失败时抛出IllegalStateException异常，具体offer实现交给子类实现。 
public boolean add(E e) { 
　　if (offer(e))//offer方法由Queue接口定义 
　　　　return true; 
　　else 
　　　　throw new IllegalStateException(); 
} 

 1 //LinkedBlockingQueue#offer 
 2 public boolean offer(E e) { 
 3 　　if (e == null) throw new NullPointerException(); 
 4 　　final AtomicInteger count = this.count;//原子型int变量，线程安全，指向队列数据量引用 
 5 　　if (count.get() == capacity) //当数据量等于队列容量时，无法入队，返回false 
 6 　　　　return false; 
 7 　　int c = -1; 
 8 　　Node<E> node = new Node(e); 
 9 　　final ReentrantLock putLock = this.putLock;//插入锁 
10 　　putLock.lock();//获得插入锁 
11 　　try { 
12 　　　　if (count.get() < capacity) { 
13 　　　　　　enqueuer(node);//入队 
14 　　　　　　c = count.getAndIncrement();//队列数据总数自增+1后返回 
15 　　　　　　if (c + 1 < capacity) 
16 　　　　　　　　notFull.signal();//唤醒非满等待队列上的线程 
17 　　　　} 
18 　　} finally { 
19 　　　　putLock.unlock(); 
20 　　} 
21 　　if (c == 0) 
22 　　　　signalNotEmpty();//队列中刚好有一个数据，唤醒非空等待队列 
23 　　return c >= 0 
24 } 

　　在第10行是获取插入锁，和ArrayBlockingQueue只有一个锁不同的是，LinkedBlockingQueue分为入队锁和出队锁，也就是说对于ArrayBlockingQueue同时只能有一个线程对它进行入队或者出队操作，而对于LinkedBlockingQueue来说同时能有两个线程对队列进行入队或者出队操作。 

　　前两个add和offer方法都是非阻塞的，对于put方法则是阻塞的，线程会一直阻塞直到线程非空或者非满，但是它在阻塞时能被线程中断返回。

//LinkedBlockingQueue#put 
public void put(E e) throws InterruptedException { 
　　if (e == null) throws new NullPointerException(); 
　　int c = -1; 
　　Node<E> node = new Node(e); 
　　final ReentrantLock putLock = this.putLock; 
　　final AtomicInteger count = this.count; 
　　putLock.lockInterrupted();//能被线程中断地获取锁 
　　try { 
　　　　while (count.get() == capacity) {//队列数据量等于队列容量 
　　　　　　notFull.await();//休眠非满等待队列上的线程 
　　　　} 
　　　　enqueuer(node);//入队 
　　　　c = count.getAndIncrement();//队列数据总数自增+1后返回 
　　　　if (c + 1 < capacity)//还没有达到队列容量 
　　　　　　notFull.signal();//唤醒非满等待队列上的线程 
　　} finally { 
　　　　putLock.unlock(); 
　　} 
　　if (c == 0) 
　　signalNotEmpty();//唤醒非空等待队列上的线程 
} 

　　队列插入的最后一个方法来看上面出现的enqueue入队方法。

private void enqueuer(Node<E> node) { 
　　last = last.next = node;//将LinkedBlockingQueue中指向队尾的last.next指向新加入的node节点 
} 

队列元素的删除 

抛出异常	返回值（非阻塞）	一定时间内返回值	返回值（阻塞）
remove()//队列不为空时，返回队首值并移除；队列为空时抛出NoSuchElementException()异常——AbstractQueue	poll()//队列不为空时返回队首值并移除；队列为空时返回null。非阻塞立即返回。	poll(time, unit)//设定等待的时间，如果在指定时间内队列还未孔则返回null，不为空则返回队首值	take(e)//队列不为空返回队首值并移除；当队列为空时会阻塞等待，一直等到队列不为空时再返回队首值。

//AbstractQueue#remove，同样这也是一个模板方法，定义删除队列元素的算法骨架，具体实现由子类来实现poll方法 
public E remove() {  
　　E x = poll();//poll方法由Queue接口定义  
　　if (x != null)  
　　　　return x;  
　　else  
　　　　throw new NoSuchElementException();  
} 

//LinkedBlockingQueue#poll 
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; 
　　takeLock.lock();//获取出队锁 
　　try { 
　　　　if (count.get() > 0) {//队列不为空 
　　　　　　x = dequeuer();//出队 
　　　　　　c = count.getAndDecrement();//队列数据自减-1返回 
　　　　　　if ( c > 1)  
　　　　　　　　notEmpty.signal();//唤醒非空等待队列上的线程 
　　　 } 
　　} finally { 
　　　　takeLock.unlock(); 
　　} 
　　if (c == capacity) 
　　　　signalNotFull();//唤醒非满等待队列上的线程 
　　return x; 
} 

　　前两个remove和poll方法都是非阻塞的，对于take方法则是阻塞的，线程会一直阻塞直到线程非空或者非满，但是它在阻塞时能被线程中断返回。

public E take() throws InterruptedException { 
　　E x; 
　　int c = -1; 
　　final AtomicInteger count = this.count; 
　　final ReentrantLock takeLock = this.takeLock; 
　　take.lockInterruptibly();//可被线程中断返回地获取锁 
　　try { 
　　　　while (count.get() == 0) {//队列数据为空 
　　　　　　notEmpty.await();//休眠非空等待队列上的线程 
　　　　} 
　　　　x = dequeuer();//此时非空等待队列上的线程被唤醒，队列数据不为空，出队 
　　　　c = count.getAndDecrement(); 
　　if (c > 1) 
　　　　notEmpty.signal();//唤醒非空等待队列上的线程 
　　} finally { 
　　　　takeLock.unlock(); 
　　} 
　　if (c == capacity) 
　　　　signalNotFull();//唤醒非满等待队列 
　　return x; 
} 

　　队列出队的最后一个方法来看上面出现的dequeue入队方法。

private E dequeue() { 
　　Node<E> h = head;//头节点，为空 
　　Node<E> first = h.next; 
　　h.next = h;//此时没有节点指向头节点，便于GC 
　　head = first; 
　　E x = first.item; 
　　first.item = null; 
　　return x; 
} 

　　最后一个方法size。

public int size() { 
　　return count.get();//和ArrayBlockingQueue类似，与ConcurrentLinkedQueue不同，没有遍历整个队列，而是直接返回count变量。此处的count是AtomicInteger变量。 
} 

 

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