值得用来替代Vector的Java集合：ArrayBlockingQueue详解

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前言

在并发编程中，线程之间相互合作执行任务，其中数据传输是至关重要的。对于多个线程访问共享数据的情况下，我们需要保证数据的正确性和一致性。Java提供了多种高效的线程安全容器来满足这种需求。其中一种是 ArrayBlockingQueue，它是一个基于数组的有界队列，可以安全地同时被多个线程使用。

摘要

本文将介绍 ArrayBlockingQueue 的基本概念、源代码解析、应用场景案例以及优缺点分析。

ArrayBlockingQueue

简介

ArrayBlockingQueue 是一个有界队列，基于数组实现。它按照先进先出的原则对元素进行排序。当队列已满时，生产者线程将被阻塞，直到有空间可用；当队列为空时，消费者线程将被阻塞，直到有元素可用。

ArrayBlockingQueue 的主要方法如下：

put(E e)：将指定元素添加到此队列的尾部，如果队列已满则阻塞直到队列有空间可用。
take()：获取并移除此队列的头元素，如果队列为空则阻塞直到队列有元素可用。
offer(E e)：将指定元素插入此队列的尾部，如果队列已满则返回 false。
poll()：获取并移除此队列的头元素，如果队列为空则返回 null。
remainingCapacity()：返回此队列中剩余的可用空间。
size()：返回此队列中的元素数量。

源代码解析

这里简要分析一下 ArrayBlockingQueue 的源代码。

类定义

public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {private static final long serialVersionUID = -817911632652898426L;final Object[] items; // 存储元素的数组int takeIndex; // 队列头部元素的索引int putIndex; // 队列尾部元素的索引int count; // 已经添加到队列中的元素数量final ReentrantLock lock; // 可重入锁private final Condition notEmpty; // 不空条件private final Condition notFull; // 不满条件// 省略构造方法和其他细节
}

可以看出 ArrayBlockingQueue 实际上是一个 Object 类型的数组，同时维护了队列头部元素的索引、队列尾部元素的索引、已经添加到队列中的元素数量、可重入锁、不空条件和不满条件等属性。
如下是部分源码截图：

在这里插入图片描述

put() 方法

public void put(E e) throws InterruptedException {Objects.requireNonNull(e); // 对象不能为空final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lockInterruptibly(); // 获取可中断锁try {while (count == items.length) { // 队列已满notFull.await(); // 队列不满条件等待}enqueue(e); // 入队} finally {lock.unlock(); // 释放锁}
}

put() 方法将指定元素添加到队列的尾部。如果队列已满，则阻塞等待直到队列有空间可用。在执行该方法时，线程会获取可中断锁并进入临界区。若队列已满，则线程调用 notFull.await() 方法进入条件等待状态。当其他线程调用 take() 方法或 poll() 方法取走了队列中的元素并释放了空间，就会调用 notEmpty.signal() 方法通知 notFull 等待队列，此时线程会继续从 while 循环中进行判断是否需要继续等待。

如下是部分源码截图：

在这里插入图片描述

take() 方法

public E take() throws InterruptedException {final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lockInterruptibly(); // 获取可中断锁try {while (count == 0) { // 队列为空notEmpty.await(); // 队列不空条件等待}return dequeue(); // 出队} finally {lock.unlock(); // 释放锁}
}

take() 方法获取并移除队列头部的元素，如果队列为空，则阻塞等待直到队列有元素可用。在执行该方法时，线程会获取可中断锁并进入临界区。若队列为空，则线程调用 notEmpty.await() 方法进入条件等待状态。当其他线程调用 put() 方法或 offer() 方法插入了元素并释放了空间，就会调用 notFull.signal() 方法通知 notEmpty 等待队列，此时线程会继续从 while 循环中进行判断是否需要继续等待。

如下是部分源码截图：

在这里插入图片描述

应用场景案例

假设一个场景，有一个生产者和多个消费者，生产者不断往队列中添加元素，消费者不断从队列中取出元素进行处理。

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;public class ProducerConsumer {public static void main(String[] args) {ArrayBlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<>(10);new Thread(() -> {for (int i = 1; i <= 20; i++) {try {queue.put(i);System.out.println("生产了：" + i);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}).start();new Thread(() -> {while (true) {try {Integer num = queue.take();System.out.println("消费了：" + num);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}).start();}
}

在上述程序中，我们创建了一个容量为 10 的 ArrayBlockingQueue 队列。生产者线程不断向队列中添加元素，消费者线程不断从队列中获取元素进行消费。当队列已满时，生产者线程将被阻塞，直到队列中有空间可用；当队列为空时，消费者线程将被阻塞，直到队列中有元素可用。

根据如上测试用例，本地测试结果如下，仅供参考，你们也可以自行修改测试用例或者添加更多的测试数据或测试方法，进行熟练学习以此加深理解。

在这里插入图片描述

优缺点分析

优点

ArrayBlockingQueue 是线程安全的，可以安全地同时被多个线程使用。
它具有高效的入队和出队操作，可以快速地插入和删除数据。
由于它是一个有界队列，因此它可以帮助我们避免 OutOfMemoryError 的问题，防止无限制地添加数据。

缺点

ArrayBlockingQueue 的容量是固定的，因此在某些场景下可能会受到限制。

类代码方法介绍

下面是 ArrayBlockingQueue 类的主要方法介绍：

方法名	描述
`put(E e)`	将指定元素添加到此队列的尾部，如果队列已满则阻塞直到队列有空间可用。
`take()`	获取并移除此队列的头元素，如果队列为空则阻塞直到队列有元素可用。
`offer(E e)`	将指定元素插入此队列的尾部，如果队列已满则返回 `false`。
`poll()`	获取并移除此队列的头元素，如果队列为空则返回 `null`。
`remainingCapacity()`	返回此队列中剩余的可用空间。
`size()`	返回此队列中的元素数量。
`iterator()`	返回此队列元素的迭代器。

测试用例

根据如上理论知识点对ArrayBlockingQueue的盘点，这里我再给大家做个简单的测试用例进行使用演示：

测试代码演示

package com.example.javase.collection;import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;/*** @Author ms* @Date 2023-10-24 13:31*/
public class ArrayBlockingQueueTest {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {ArrayBlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<>(5);// 生产者线程new Thread(() -> {for (int i = 1; i <= 10; i++) {try {queue.put(i);System.out.println("生产了：" + i);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}).start();// 消费者线程new Thread(() -> {while (true) {try {Integer num = queue.take();System.out.println("消费了：" + num);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}).start();// 等待一段时间后结束程序Thread.sleep(1000);System.exit(0);}
}

测试结果

根据如上测试用例，本地测试结果如下，仅供参考，你们也可以自行修改测试用例或者添加更多的测试数据或测试方法，进行熟练学习以此加深理解。

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代码分析

根据如上测试用例，在此我给大家进行深入详细的解读一下测试代码，以便于更多的同学能够理解并加深印象。
如上测试用例演示了使用Java中的ArrayBlockingQueue类实现生产者和消费者模型。

ArrayBlockingQueue是Java中的一个阻塞队列，具有以下特点：

有固定的容量，一旦队列满了，再往里面放元素就会阻塞直到有元素被取出。
当队列为空时，从队列中取元素会被阻塞，直到有元素被加入。

在该代码中，定义了一个ArrayBlockingQueue对象queue，并指定了容量为5。

然后启动了两个线程，一个是生产者线程，一个是消费者线程。

生产者线程不断向队列中put元素，消费者线程不断从队列中take元素，实现了生产者和消费者的异步操作。

最后通过让主线程睡眠一段时间，然后结束程序，来结束整个程序。

小结

本文介绍了 Java 多线程编程中的 ArrayBlockingQueue，包括其基本概念、源代码解析、应用场景案例以及优缺点分析。总体来说，ArrayBlockingQueue 是一种高效的线程安全容器，适用于生产者消费者场景，能够优化多线程之间的数据传输和共享。不过需要注意的是，它是一个固定容量的有界队列，因此在某些场景下可能会受到限制。

总结

在多线程编程中，线程之间需要相互协作执行任务，数据传输起着重要的作用。为了保证多个线程访问共享数据时的正确性和一致性，Java提供了多种高效的线程安全容器，其中一个就是 ArrayBlockingQueue。

ArrayBlockingQueue 是一个基于数组实现的有界队列，在多个线程访问共享数据时，可以安全地同时被多个线程使用。它按照先进先出的原则对元素进行排序，当队列已满时，生产者线程将被阻塞，直到队列有空间可用；当队列为空时，消费者线程将被阻塞，直到队列中有元素可用。它还具有高效的入队和出队操作，可以快速地插入和删除数据。

但是，ArrayBlockingQueue 的容量是固定的，因此在某些场景下可能会受到限制。在实际应用中，我们需要根据具体的需求来选择使用合适的线程安全容器。

总之，了解和掌握 ArrayBlockingQueue 的使用方法可以帮助我们更好地设计和实现多线程应用，提高程序的并发性和安全性。

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