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LinkedBlockingQueue 阻塞队列解析

Java技术 winrains 来源:Jay_huaxiao 6个月前 (03-28) 46次浏览

前言

整理了阻塞队列LinkedBlockingQueue的学习笔记,希望对大家有帮助。有哪里不正确,欢迎指出,感谢。

LinkedBlockingQueue的概述

LinkedBlockingQueue的继承体系图

我们先来看看LinkedBlockingQueue的继承体系。使用IntelliJ IDEA查看类的继承关系图形

  • 蓝色实线箭头是指类继承关系
  • 绿色箭头实线箭头是指接口继承关系
  • 绿色虚线箭头是指接口实现关系。

LinkedBlockingQueue实现了序列化接口 Serializable,因此它有序列化的特性。 LinkedBlockingQueue实现了BlockingQueue接口,BlockingQueue继承了Queue接口,因此它拥有了队列Queue相关方法的操作。

LinkedBlockingQueue的类图

类图来自Java并发编程之美

LinkedBlockingQueue主要特性:

  1. LinkedBlockingQueue底层数据结构为单向链表。
  2. LinkedBlockingQueue 有两个Node节点,一个head节点,一个tail节点,只能从head取元素,从tail添加元素。
  3. LinkedBlockingQueue 容量是一个原子变量count,它的初始值为0。
  4. LinkedBlockingQueue有两把ReentrantLock的锁,一把控制元素入队,一把控制出队,保证在并发情况下的线程安全。
  5. LinkedBlockingQueue 有两个条件变量,notEmpty 和 notFull。它们内部均有一个条件队列,存放着出入队列被阻塞的线程,这其实是生产者-消费者模型。

LinkedBlockingQueue的重要成员变量

//容量范围,默认值为 Integer.MAX_VALUE
private final int capacity;

//当前队列元素个数
private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();

//头结点
transient Node<E> head;

//尾节点
private transient Node<E> last;

//take, poll等方法的可重入锁
private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();

//当队列为空时,执行出队操作(比如take )的线程会被放入这个条件队列进行等待
private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();

//put, offer等方法的可重入锁
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();

//当队列满时, 执行进队操作( 比如put)的线程会被放入这个条件队列进行等待
private final Condition notFull = putLock.newCondition();

LinkedBlockingQueue的构造函数

LinkedBlockingQueue有三个构造函数:

  1. 无参构造函数,容量为Integer.MAX
public LinkedBlockingQueue() {
   this(Integer.MAX_VALUE);
}
  1. 设置指定容量的构造器
public LinkedBlockingQueue(int capacity) {
  if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
   //设置队列大小
   this.capacity = capacity;
   //new一个null节点,head、tail节点指向该节点
   last = head = new Node<E>(null);
}
  1. 传入集合,如果调用该构造器,容量默认也是Integer.MAX_VALUE
 public LinkedBlockingQueue(Collection<? extends E> c) {
    //调用指定容量的构造器
    this(Integer.MAX_VALUE);
    //获取put, offer的可重入锁
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    putLock.lock(); 
    try {
        int n = 0;
        //循环向队列中添加集合中的元素
        for (E e : c) {
            if (e == null)
                throw new NullPointerException();
            if (n == capacity)
                throw new IllegalStateException("Queue full");
            //将队列的last节点指向该节点
            enqueue(new Node<E>(e));
            ++n;
        }
        //更新容量值
        count.set(n);
    } finally {
        //释放锁
        putLock.unlock();
    }
}

LinkedBlockingQueue底层Node类

Node源码

static class Node<E> {
    // 当前节点的元素值
    E item;
    // 下一个节点的索引
    Node<E> next;
    //节点构造器
    Node(E x) { 
        item = x;
    }
}

LinkedBlockingQueue的节点符合单向链表的数据结构要求:

  • 一个成员变量为当前节点的元素值
  • 一个成员变量是下一节点的索引
  • 构造方法的唯一参数节点元素值。

Node节点图

item表示当前节点的元素值,next表示指向下一节点的指针

LinkedBlockingQueue常用操作

offer操作

入队方法,其实就是向队列的尾部插入一个元素。如果元素为空,抛出空指针异常。如果队列已满,则丢弃当前元素,返回false,它是非阻塞的。如果队列空闲则插入成功返回true。

offer源代码

offer方法源码如下:

public boolean offer(E e) {
    //为空直接抛空指针
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    final AtomicInteger count = this.count;
    //如果当前队列满了的话,直接返回false
    if (count.get() == capacity)
        return false;
    int c = -1;
    //构造新节点
    Node<E> node = new Node<E>(e);
    获取put独占锁
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    putLock.lock();
    try {
        //判断队列是否已满
        if (count.get() < capacity) {
            //进队列
            enqueue(node);
            //递增元素计数
            c = count.getAndIncrement();
            //如果元素入队,还有空闲,则唤醒notFull条件队列里被阻塞的线程
            if (c + 1 < capacity)
                notFull.signal();
        }
    } finally {
        //释放锁
        putLock.unlock();
    }
    //如果容量为0,则
    if (c == 0)
        //激活 notEmpty 的条件队列,唤醒被阻塞的线程
        signalNotEmpty();
    return c >= 0;
}

enqueue方法源码如下:

private void enqueue(Node<E> node) {
    //从尾节点加进去
    last = last.next = node;
}

为了形象生动,我们用一张图来看看往队列里依次放入元素A和元素B。图片参考来源【细谈Java并发】谈谈LinkedBlockingQueue

signalNotEmpty方法源码如下

private void signalNotEmpty() {
    //获取take独占锁
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    takeLock.lock();
    try {
       //唤醒notEmpty条件队列里被阻塞的线程
       notEmpty.signal();
     } finally {
       //释放锁
       takeLock.unlock();
    }
}

offer执行流程图

基本流程:

  • 判断元素是否为空,如果是,就抛出空指针异常。
  • 判读队列是否已满,如果是,添加失败,返回false。
  • 如果队列没满,构造Node节点,上锁。
  • 判断队列是否已满,如果队列没满,Node节点在队尾加入队列待。
  • 加入队列后,判断队列是否还有空闲,如果是,唤醒notFull的阻塞线程。
  • 释放完锁后,判断容量是否为空,如果是,唤醒notEmpty的阻塞线程。

put操作

put方法也是向队列尾部插入一个元素。如果元素为null,抛出空指针异常。如果队列己满则阻塞当前线程,直到队列有空闲插入成功为止。如果队列空闲则插入成功,直接返回。如果在阻塞时被其他线程设置了中断标志, 则被阻塞线程会抛出 InterruptedException 异常而返回。

put源代码

public void put(E e) throws InterruptedException {
    ////为空直接抛空指针异常
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    int c = -1;
    // 构造新节点
    Node<E> node = new Node<E>(e);
    //获取putLock独占锁
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    final AtomicInteger count = this.count;
    //获取独占锁,它跟lock的区别,是可以被中断
    putLock.lockInterruptibly();
    try {
        //队列已满线程挂起等待
        while (count.get() == capacity) {
            notFull.await();
        }
        //进队列
        enqueue(node);
        //递增元素计数
        c = count.getAndIncrement();
        //如果元素入队,还有空闲,则唤醒notFull条件队列里被阻塞的线程
        if (c + 1 < capacity)
            notFull.signal();
    } finally {
        //释放锁
        putLock.unlock();
    }
    //如果容量为0,则
    if (c == 0)
        //激活 notEmpty 的条件队列,唤醒被阻塞的线程
        signalNotEmpty();
}

put流程图

基本流程:

  • 判断元素是否为空,如果是就抛出空指针异常。
  • 构造Node节点,上锁(可中断锁)
  • 判断队列是否已满,如果是,阻塞当前线程,一直等待。
  • 如果队列没满,Node节点在队尾加入队列。
  • 加入队列后,判断队列是否还有空闲,如果是,唤醒notFull的阻塞线程。
  • 释放完锁后,判断容量是否为空,如果是,唤醒notEmpty的阻塞线程。

poll操作

从队列头部获取并移除一个元素, 如果队列为空则返回 null, 该方法是不阻塞的。

poll源代码

poll方法源代码

public E poll() {
    final AtomicInteger count = this.count;
    //如果队列为空,返回null
    if (count.get() == 0)
        return null;
    E x = null;
    int c = -1;
    //获取takeLock独占锁
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    takeLock.lock();
    try {
        //如果队列不为空,则出队,并递减计数
        if (count.get() > 0) {
            x = dequeue();
            c = count.getAndDecrement();
            ////容量大于1,则激活 notEmpty 的条件队列,唤醒被阻塞的线程
            if (c > 1)
                notEmpty.signal();
        }
    } finally {
       //释放锁
        takeLock.unlock();
    }
    if (c == capacity)
        //唤醒notFull条件队列里被阻塞的线程
        signalNotFull();
    return x;
}

dequeue方法源代码

//出队列
private E dequeue() {
    //获取head节点
    Node<E> h = head;
    //获取到head节点指向的下一个节点
    Node<E> first = h.next;
    //head节点原来指向的节点的next指向自己,等待下次gc回收
    h.next = h; // help GC
    // head节点指向新的节点
    head = first;
    // 获取到新的head节点的item值
    E x = first.item;
    // 新head节点的item值设置为null
    first.item = null;
    return x;
}

为了形象生动,我们用一张图来描述出队过程。图片参考来源【细谈Java并发】谈谈LinkedBlockingQueue

signalNotFull方法源码

private void signalNotFull() {
    //获取put独占锁
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    putLock.lock();
    try {
        ////唤醒notFull条件队列里被阻塞的线程
        notFull.signal();
    } finally {
        //释放锁
        putLock.unlock();
    }
}

poll流程图

基本流程:

  • 判断元素是否为空,如果是,就返回null。
  • 加锁
  • 判断队列是否有元素,如果没有,释放锁
  • 如果队列有元素,则出队列,获取数据,容量计数器减一。
  • 判断此时容量是否大于1,如果是,唤醒notEmpty的阻塞线程。
  • 释放完锁后,判断容量是否满,如果是,唤醒notFull的阻塞线程。

peek操作

获取队列头部元素但是不从队列里面移除它,如果队列为空则返回 null。 该方法是不 阻塞的。

peek源代码

public E peek() {
    //队列容量为0,返回null
    if (count.get() == 0)
        return null;
    //获取takeLock独占锁
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    takeLock.lock();
    try {
        Node<E> first = head.next;
        //判断first是否为null,如果是直接返回
        if (first == null)
            return null;
        else
            return first.item;
    } finally {
        //释放锁
        takeLock.unlock();
    }
}

peek流程图

基本流程:

  • 判断队列容量大小是否为0,如果是,就返回null。
  • 加锁
  • 获取队列头部节点first
  • 判断节点first是否为null,是的话,返回null。
  • 如果fist不为null,返回节点first的元素。
  • 释放锁。

take操作

获取当前队列头部元素并从队列里面移除它。 如果队列为空则阻塞当前线程直到队列 不为空然后返回元素,如果在阻塞时被其他线程设置了中断标志, 则被阻塞线程会抛出 InterruptedException 异常而返回。

take源代码

public E take() throws InterruptedException {
    E x;
    int c = -1;
    final AtomicInteger count = this.count;
    //获取takeLock独占锁
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    //获取独占锁,它跟lock的区别,是可以被中断
    takeLock.lockInterruptibly();
    try {
        //当前队列为空,则阻塞挂起
        while (count.get() == 0) {
            notEmpty.await();
        }
        //)出队并递减计数
        x = dequeue();
        c = count.getAndDecrement();
        if (c > 1)
           //激活 notEmpty 的条件队列,唤醒被阻塞的线程
            notEmpty.signal();
    } finally {
        //释放锁
        takeLock.unlock();
    }
    if (c == capacity)
        //激活 notFull 的条件队列,唤醒被阻塞的线程
        signalNotFull();
    return x;
}

take流程图

基本流程:

  • 加锁
  • 判断队列容量大小是否为0,如果是,阻塞当前线程,直到队列不为空。
  • 如果队列容量大小大于0,节点出队列,获取元素x,计数器减一。
  • 判断队列容量大小是否大于1,如果是,唤醒notEmpty的阻塞线程。
  • 释放锁。
  • 判断队列容量是否已满,如果是,唤醒notFull的阻塞线程。
  • 返回出队元素x

remove操作

删除队列里面指定的元素,有则删除并返回 true,没有则返回 false。

remove方法源代码

public boolean remove(Object o) {
     //为空直接返回false
    if (o == null) return false;
    //双重加锁
    fullyLock();
    try {
        //边历队列,找到元素则删除并返回true
        for (Node<E> trail = head, p = trail.next;
             p != null;
             trail = p, p = p.next) {
            if (o.equals(p.item)) {
                //执行unlink操作
                unlink(p, trail);
                return true;
            }
        }
        return false;
    } finally {
        //解锁
        fullyUnlock();
    }
}

双重加锁,fullyLock方法源代码

void fullyLock() {
    //putLock独占锁加锁
    putLock.lock();
    //takeLock独占锁加锁
    takeLock.lock();
}

unlink方法源代码

void unlink(Node<E> p, Node<E> trail) {
    p.item = null;
    trail.next = p.next;
    if (last == p)
        last = trail;
    //如果当前队列满 ,则删除后,也不忘记唤醒等待的线程 
    if (count.getAndDecrement() == capacity)
        notFull.signal();
}

fullyUnlock方法源代码

void fullyUnlock() {
    //与双重加锁顺序相反,先解takeLock独占锁
    takeLock.unlock();
    putLock.unlock();
}

remove流程图

基本流程

  • 判断要删除的元素是否为空,是就返回false。
  • 如果要删除的元素不为空,加双重锁
  • 遍历队列,找到要删除的元素,如果找不到,返回false。
  • 如果找到,删除该节点,返回true。
  • 释放锁

size操作

获取当前队列元素个数。

public int size() {
    return count.get();
}

由于进行出队、入队操作时的 count是加了锁的,所以结果相比ConcurrentLinkedQueue 的 size 方法比较准确。

总结

  • LinkedBlockingQueue底层通过单向链表实现。
  • 它有头尾两个节点,入队操作是从尾节点添加元素,出队操作是对头节点进行操作。
  • 它的容量是原子变量count,保证szie获取的准确性。
  • 它有两把独占锁,保证了队列操作原子性。
  • 它的两把锁都配备了一个条件队列,用来存放阻塞线程,结合入队、出队操作实现了一个生产消费模型。

Java并发编程之美中,有一张图惟妙惟肖描述了它,如下图:

参看与感谢

作者:Jay_huaxiao

链接:https://juejin.im/post/5db9af0451882548540fc1af


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