JUC源码分析-集合篇BlockingQueue 阻塞式队列实现原理

Posted 2021-12-06 binarylei

JUC源码分析-集合篇（五）BlockingQueue 阻塞式队列实现原理

以 LinkedBlockingQueue 分析 BlockingQueue 阻塞式队列的实现原理。

1. 数据结构

LinkedBlockingQueue 和 ConcurrentLinkedQueue 一样都是由 head 节点和 last 节点组成，每个节点（Node）由节点元素（item）和指向下一个节点（next）的引用组成，节点与节点之间就是通过这个 next 关联起来，从而组成一张链表结构的队列。默认情况下 head 节点存储的元素为空，last 节点等于 head 节点。和 ConcurrentLinkedQueue 不同的是 LinkedBlockingQueue 是基于 ReentrantLock 锁实现的，因此 head、last 以及 Node.item、Node.next 都不用 volatile 修辞

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

public LinkedBlockingQueue(int capacity) {
    if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
    this.capacity = capacity;
    last = head = new Node<E>(null);
}

2. 入队 offer

和 ConcurrentLinkedQueue 不同，last 是实时指向尾节点的，也就是每次插入元素时都会更新尾节点。代码如下

// offer 非阻塞
public boolean offer(E e) {
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    final AtomicInteger count = this.count;
    if (count.get() == capacity)
        return false;
    // 1. c表示插入前元素的个数
    int c = -1;
    Node<E> node = new Node<E>(e);
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    putLock.lock();
    try {
        // 2. 元素入队有2个操作：一是元素添加到last.next并更新last；
        //    二是唤醒阻塞的put操作继续添加元素(只有put时会阻塞notFull.await)
        if (count.get() < capacity) {
            // 2.1 元素入队
            enqueue(node);
            // 2.2 c表示插入前元素的个数
            c = count.getAndIncrement();
            // 2.3 集合未满，唤醒put操作，继续添加元素
            if (c + 1 < capacity)
                notFull.signal();
        }
    } finally {
        putLock.unlock();
    }
    // 3. 插入前集合为空，则唤醒take操作，可以取元素了
    if (c == 0)
        signalNotEmpty();
    return c >= 0;
}

元素入队有两个操作：一是 last.next 节点指向 node；二是 last 指向新的尾节点 node。也就是说 last 一定是指向尾节点的。

private void enqueue(Node<E> node) {
    // assert putLock.isHeldByCurrentThread();
    // assert last.next == null;
    last = last.next = node;
}

3. 出队 poll

// poll 非阻塞
public E poll() {
    final AtomicInteger count = this.count;
    if (count.get() == 0)
        return null;
    E x = null;
    // 1. poll操作前元素的个数
    int c = -1;
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    takeLock.lock();
    try {
        // 2. 元素出队有2个操作：一是head.next出队
        //    二是唤醒阻塞的take操作继续取出元素(只有take时会阻塞notEmpty.await)
        if (count.get() > 0) {
            // 2.1 head.next出队
            x = dequeue();
            // 2.2 c为poll前元素的个数
            c = count.getAndDecrement();
            // 2.3 集合中元素不为空，唤醒take操作，断续取元素
            if (c > 1)
                notEmpty.signal();
        }
    } finally {
        takeLock.unlock();
    }
    // 3. 取元素前集合已满，则唤醒put操作，可以继续添加元素
    if (c == capacity)
        signalNotFull();
    return x;
}

元素出队有三个操作：一是 head.next 出队；二是 head.next 指向自己，等待 GC 回收；三是修改 head 节点。

private E dequeue() {
    // assert takeLock.isHeldByCurrentThread();
    // assert head.item == null;
    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;
}

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