多线程（十九阻塞队列-LinkedBlockingQueue）

Posted 2022-03-18

LinkedBlockingQueue简介

1、LinkedBlockingQueue底层数据结构基于单链表实现，与ArrayBlockingQueue不同。
2、既可以在初始构造时就指定队列的容量，也可以不指定，如果不指定，那么它的容量大小默认为Integer.MAX_VALUE。
3、区别于ArrayBlockingQueue的全局锁，LinkedBlockingQueue维护了两把锁——takeLock和putLock。
takeLock用于控制出队的并发，putLock用于入队的并发。同一时刻，只能有一个线程能执行入队或者出队操作，但是，入队和出队之间可以并发执行，即同一时刻，可以同时有一个线程进行入队，另一个线程进行出队，这样就可以提升吞吐量。

LinkedBlockingQueue构造

LinkedBlockingQueue使用了一个原子变量AtomicInteger记录队列中元素的个数，以保证入队/出队并发修改元素时的数据一致性

public class LinkedBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
    implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable 

    /**
     * 队列容量.
     * 如果不指定, 则为Integer.MAX_VALUE
     */
    private final int capacity;

    /**
     * 队列中的元素个数，原子类时间并发
     */
    private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();

    /**
     * 队首指针.
     * head.item == null
     */
    transient Node<E> head;

    /**
     * 队尾指针.
     * last.next == null
     */
    private transient Node<E> last;

    /**
     * 出队锁
     */
    private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();

    /**
     * 队列空时，出队线程在该条件队列等待
     */
    private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();

    /**
     * 入队锁
     */
    private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();

    /**
     * 队列满时，入队线程在该条件队列等待
     */
    private final Condition notFull = putLock.newCondition();

    /**
     * 链表结点定义
     */
    static class Node<E> 
        E item;

        Node<E> next;   // 后驱指针

        Node(E x) 
            item = x;
        
    

主要方法：

1、插入元素-put

/**
 * 在队尾插入指定的元素.
 * 如果队列已满，则阻塞线程.
 */
public void put(E e) throws InterruptedException 
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    int c = -1;
    Node<E> node = new Node<E>(e);
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    final AtomicInteger count = this.count;
    putLock.lockInterruptibly();            // 获取“入队锁”
    try 
        while (count.get() == capacity)    // 队列已满, 则线程在notFull上等待
            notFull.await();
        
        enqueue(node);                      // 将新结点链接到“队尾”

        /**
         * c+1 表示的元素个数.
         * 如果，则唤醒一个“入队线程”
         */
        c = count.getAndIncrement();        // c表示入队前的队列元素个数
        if (c + 1 < capacity)               // 入队后队列未满, 则唤醒一个“入队线程”
            notFull.signal();
     finally 
        putLock.unlock();
    

    if (c == 0)                             // 队列初始为空, 则唤醒一个“出队线程”
        signalNotEmpty();

注意点：
1、每入队一个元素后，如果队列还没满，则需要唤醒其它可能正在等待的“入队线程”
2、每入队一个元素，都要判断下队列是否空了，如果空了，说明可能存在正在等待的“出队线程”，后面来的出队线程也会进行无用的等待，所以需要唤醒它，提升性能。
3、入队元素后，避免直接尝试唤醒出队线程，否则会要求去拿出队锁，这样持有锁A的同时，再去尝试获取锁B，很可能引起死锁

2、删除元素-take

/**
 * 从队首出队一个元素
 */
public E take() throws InterruptedException 
    E x;
    int c = -1;
    final AtomicInteger count = this.count;
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;   // 获取“出队锁”
    takeLock.lockInterruptibly();
    try 
        while (count.get() == 0)                   // 队列为空, 则阻塞线程
            notEmpty.await();
        
        x = dequeue();
        c = count.getAndDecrement();                // c表示出队前的元素个数
        if (c > 1)                                  // 出队前队列非空, 则唤醒一个出队线程
            notEmpty.signal();
     finally 
        takeLock.unlock();
    
    if (c == capacity)                              // 队列初始为满，则唤醒一个入队线程
        signalNotFull();
    return x;

/**
 * 队首出队一个元素.
 */
private E dequeue() 
    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;

注意点：
1、每出队一个元素前，如果队列非空，则需要唤醒其它可能正在等待的“出队线程”
2、每出队一个元素，都要判断下队列是否满，如果是满的，说明可能存在正在等待的“入队线程”，需要唤醒它

总结：

1、队列大小不同。ArrayBlockingQueue初始构造时必须指定大小，而LinkedBlockingQueue构造时既可以指定大小，也可以不指定（默认为Integer.MAX_VALUE）；
2、底层数据结构不同。ArrayBlockingQueue底层采用数组作为数据存储容器，而LinkedBlockingQueue底层采用单链表作为数据存储容器；
3、两者的加锁机制不同。ArrayBlockingQueue使用一把全局锁，即入队和出队使用同一个ReentrantLock锁；而LinkedBlockingQueue进行了锁分离，入队使用一个ReentrantLock锁（putLock），出队使用另一个ReentrantLock锁（takeLock）；
4、LinkedBlockingQueue不能指定公平/非公平策略（默认都是非公平），而ArrayBlockingQueue可以指定策略。