并发容器之ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue实现原理详解

本文主要是介绍并发容器之ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue实现原理详解，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

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1. ArrayBlockingQueue简介

在多线程编程过程中，为了业务解耦和架构设计，经常会使用并发容器用于存储多线程间的共享数据，这样不仅可以保证线程安全，还可以简化各个线程操作。例如在“生产者-消费者”问题中，会使用阻塞队列（BlockingQueue）作为数据容器，关于BlockingQueue可以看这篇文章。为了加深对阻塞队列的理解，唯一的方式是对其实验原理进行理解，这篇文章就主要来看看ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue的实现原理。

2. ArrayBlockingQueue实现原理

阻塞队列最核心的功能是，能够可阻塞式的插入和删除队列元素。当前队列为空时，会阻塞消费数据的线程，直至队列非空时，通知被阻塞的线程；当队列满时，会阻塞插入数据的线程，直至队列未满时，通知插入数据的线程（生产者线程）。那么，多线程中消息通知机制最常用的是lock的condition机制，关于condition可以看这篇文章的详细介绍。那么ArrayBlockingQueue的实现是不是也会采用Condition的通知机制呢？下面来看看。

2.1 ArrayBlockingQueue的主要属性

ArrayBlockingQueue的主要属性如下:

/** The queued items */
final Object[] items;/** items index for next take, poll, peek or remove */
int takeIndex;/** items index for next put, offer, or add */
int putIndex;/** Number of elements in the queue */
int count;/** Concurrency control uses the classic two-condition algorithm* found in any textbook.*//** Main lock guarding all access */
final ReentrantLock lock;/** Condition for waiting takes */
private final Condition notEmpty;/** Condition for waiting puts */
private final Condition notFull;

从源码中可以看出ArrayBlockingQueue内部是采用数组进行数据存储的（属性items），为了保证线程安全，采用的是ReentrantLock lock，为了保证可阻塞式的插入删除数据利用的是Condition，当获取数据的消费者线程被阻塞时会将该线程放置到notEmpty等待队列中，当插入数据的生产者线程被阻塞时，会将该线程放置到notFull等待队列中。而notEmpty和notFull等中要属性在构造方法中进行创建：

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();
}

接下来，主要看看可阻塞式的put和take方法是怎样实现的。

2.2 put方法详解

put(E e)方法源码如下：

public void put(E e) throws InterruptedException {checkNotNull(e);final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lockInterruptibly();try {//如果当前队列已满，将线程移入到notFull等待队列中while (count == items.length)notFull.await();//满足插入数据的要求，直接进行入队操作enqueue(e);} finally {lock.unlock();}
}

该方法的逻辑很简单，当队列已满时（count == items.length）将线程移入到notFull等待队列中，如果当前满足插入数据的条件，就可以直接调用enqueue(e)插入数据元素。enqueue方法源码为：

private void enqueue(E x) {// assert lock.getHoldCount() == 1;// assert items[putIndex] == null;final Object[] items = this.items;//插入数据items[putIndex] = x;if (++putIndex == items.length)putIndex = 0;count++;//通知消费者线程，当前队列中有数据可供消费notEmpty.signal();
}

enqueue方法的逻辑同样也很简单，先完成插入数据，即往数组中添加数据（items[putIndex] = x），然后通知被阻塞的消费者线程，当前队列中有数据可供消费（notEmpty.signal()）。

2.3 take方法详解

take方法源码如下：

public E take() throws InterruptedException {final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lockInterruptibly();try {//如果队列为空，没有数据，将消费者线程移入等待队列中while (count == 0)notEmpty.await();//获取数据return dequeue();} finally {lock.unlock();}
}

take方法也主要做了两步：1. 如果当前队列为空的话，则将获取数据的消费者线程移入到等待队列中；2. 若队列不为空则获取数据，即完成出队操作dequeue。dequeue方法源码为：

private E dequeue() {// assert lock.getHoldCount() == 1;// assert items[takeIndex] != null;final Object[] items = this.items;@SuppressWarnings("unchecked")//获取数据E x = (E) items[takeIndex];items[takeIndex] = null;if (++takeIndex == items.length)takeIndex = 0;count--;if (itrs != null)itrs.elementDequeued();//通知被阻塞的生产者线程notFull.signal();return x;
}

dequeue方法也主要做了两件事情：1. 获取队列中的数据，即获取数组中的数据元素（(E) items[takeIndex]）；2. 通知notFull等待队列中的线程，使其由等待队列移入到同步队列中，使其能够有机会获得lock，并执行完成功退出。

从以上分析，可以看出put和take方法主要是通过condition的通知机制来完成可阻塞式的插入数据和获取数据。在理解ArrayBlockingQueue后再去理解LinkedBlockingQueue就很容易了。

3. LinkedBlockingQueue实现原理

LinkedBlockingQueue是用链表实现的有界阻塞队列，当构造对象时为指定队列大小时，队列默认大小为Integer.MAX_VALUE。从它的构造方法可以看出：

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

3.1 LinkedBlockingQueue的主要属性

LinkedBlockingQueue的主要属性有：

/** Current number of elements */
private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();/*** Head of linked list.* Invariant: head.item == null*/
transient Node<E> head;/*** Tail of linked list.* Invariant: last.next == null*/
private transient Node<E> last;/** Lock held by take, poll, etc */
private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();/** Wait queue for waiting takes */
private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();/** Lock held by put, offer, etc */
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();/** Wait queue for waiting puts */
private final Condition notFull = putLock.newCondition();

可以看出与ArrayBlockingQueue主要的区别是，LinkedBlockingQueue在插入数据和删除数据时分别是由两个不同的lock（takeLock和putLock）来控制线程安全的，因此，也由这两个lock生成了两个对应的condition（notEmpty和notFull）来实现可阻塞的插入和删除数据。并且，采用了链表的数据结构来实现队列，Node结点的定义为：

static class Node<E> {E item;/*** One of:* - the real successor Node* - this Node, meaning the successor is head.next* - null, meaning there is no successor (this is the last node)*/Node<E> next;Node(E x) { item = x; }
}

接下来，我们也同样来看看put方法和take方法的实现。

3.2 put方法详解

put方法源码为:

public void put(E e) throws InterruptedException {if (e == null) throw new NullPointerException();// Note: convention in all put/take/etc is to preset local var// holding count negative to indicate failure unless set.int c = -1;Node<E> node = new Node<E>(e);final ReentrantLock putLock = this.putLock;final AtomicInteger count = this.count;putLock.lockInterruptibly();try {/** Note that count is used in wait guard even though it is* not protected by lock. This works because count can* only decrease at this point (all other puts are shut* out by lock), and we (or some other waiting put) are* signalled if it ever changes from capacity. Similarly* for all other uses of count in other wait guards.*///如果队列已满，则阻塞当前线程，将其移入等待队列while (count.get() == capacity) {notFull.await();}//入队操作，插入数据enqueue(node);c = count.getAndIncrement();//若队列满足插入数据的条件，则通知被阻塞的生产者线程if (c + 1 < capacity)notFull.signal();} finally {putLock.unlock();}if (c == 0)signalNotEmpty();
}

put方法的逻辑也同样很容易理解，可见注释。基本上和ArrayBlockingQueue的put方法一样。take方法的源码如下：

public E take() throws InterruptedException {E x;int c = -1;final AtomicInteger count = this.count;final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;takeLock.lockInterruptibly();try {//当前队列为空，则阻塞当前线程，将其移入到等待队列中，直至满足条件while (count.get() == 0) {notEmpty.await();}//移除队头元素，获取数据x = dequeue();c = count.getAndDecrement();//如果当前满足移除元素的条件，则通知被阻塞的消费者线程if (c > 1)notEmpty.signal();} finally {takeLock.unlock();}if (c == capacity)signalNotFull();return x;
}

take方法的主要逻辑请见于注释，也很容易理解。

4. ArrayBlockingQueue与LinkedBlockingQueue的比较

相同点：ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue都是通过condition通知机制来实现可阻塞式插入和删除元素，并满足线程安全的特性；

不同点：1. ArrayBlockingQueue底层是采用的数组进行实现，而LinkedBlockingQueue则是采用链表数据结构；
2. ArrayBlockingQueue插入和删除数据，只采用了一个lock，而LinkedBlockingQueue则是在插入和删除分别采用了putLock和takeLock，这样可以降低线程由于线程无法获取到lock而进入WAITING状态的可能性，从而提高了线程并发执行的效率。

这篇关于并发容器之ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue实现原理详解的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！

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