不允许还有Java程序员不了解BlockingQueue阻塞队列的实现原理

刺骨的言语ヽ痛彻心扉 2023-10-03 21:11 50阅读 0赞

我们平时开发中好像很少使用到BlockingQueue（阻塞队列），比如我们想要存储一组数据的时候会使用ArrayList，想要存储**键值对**数据会使用HashMap，在什么场景下需要用到BlockingQueue呢？

### 1. BlockingQueue的应用场景 ###

当我们处理完一批数据之后，需要把这批数据发给下游方法接着处理，但是下游方法的处理速率不受控制，可能时快时慢。如果下游方法的处理速率较慢，很拖慢当前方法的处理速率，这时候该怎么办呢？

你可能想到使用线程池，是个办法，不过需要创建很多线程，还要考虑下游方法支不支持并发，如果是CPU密集任务，可能多线程比单线程处理速度更慢，因为需要频繁上下文切换。

这时候就可以考虑使用BlockingQueue，BlockingQueue最典型的应用场景就是上面这种生产者-消费者模型。生产者往队列中放数据，消费者从队列中取数据，中间使用BlockingQueue做缓冲队列，也就解决了生产者和消费者速率不同步的问题。

![format_png][]

你可能联想到了消息队列（MessageQueue），消息队列相当于分布式阻塞队列，而BlockingQueue相当于本地阻塞队列，只作用于本机器。对应的是分布式缓存（比如：Redis、Memcache）和本地缓存（比如：Guava、Caffeine）。

另外很多框架中都有BlockingQueue的影子，比如线程池中就用到BlockingQueue做任务的缓冲。消息队列中发消息、拉取消息的方法也都借鉴了BlockingQueue，使用起来很相似。

今天就一块深入剖析一下Queue的底层源码。

### 2. BlockingQueue的用法 ###

BlockingQueue的用法非常简单，就是放数据和取数据。

/**
     * @apiNote BlockingQueue示例
     * @author 一灯架构
     */
    public class Demo {
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            // 1. 创建队列，设置容量是10
            BlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<>(10);
            // 2. 往队列中放数据
            queue.put(1);
            // 3. 从队列中取数据
            Integer result = queue.take();
        }
    }
    复制代码

为了满足不同的使用场景，BlockingQueue设计了很多的放数据和取数据的方法。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>操作</th> 
   <th>抛出异常</th> 
   <th>返回特定值</th> 
   <th>阻塞</th> 
   <th>阻塞一段时间</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>放数据</td> 
   <td><code>add</code></td> 
   <td><code>offer</code></td> 
   <td><code>put</code></td> 
   <td><code>offer(e, time, unit)</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>取数据</td> 
   <td><code>remove</code></td> 
   <td><code>poll</code></td> 
   <td><code>take</code></td> 
   <td><code>poll(time, unit)</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>取数据（不删除）</td> 
   <td><code>element()</code></td> 
   <td><code>peek()</code></td> 
   <td>不支持</td> 
   <td>不支持</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

这几组方法的不同之处就是：

1.  当队列满了，再往队列中放数据，add方法抛异常，offer方法返回false，put方法会一直阻塞（直到有其他线程从队列中取走数据），offer方法阻塞指定时间然后返回false。
2.  当队列是空，再从队列中取数据，remove方法抛异常，poll方法返回null，take方法会一直阻塞（直到有其他线程往队列中放数据），poll方法阻塞指定时间然后返回null。
3.  当队列是空，再去队列中查看数据（并不删除数据），element方法抛异常，peek方法返回null。

工作中使用最多的就是offer、poll阻塞指定时间的方法。

### 3. BlockingQueue实现类 ###

BlockingQueue常见的有下面5个实现类，主要是应用场景不同。

*  ArrayBlockingQueue
    
    基于数组实现的阻塞队列，创建队列时需指定容量大小，是有界队列。
 *  LinkedBlockingQueue
    
    基于链表实现的阻塞队列，默认是无界队列，创建可以指定容量大小
 *  SynchronousQueue
    
    一种没有缓冲的阻塞队列，生产出的数据需要立刻被消费
 *  PriorityBlockingQueue
    
    实现了优先级的阻塞队列，基于数据显示，是无界队列
 *  DelayQueue
    
    实现了延迟功能的阻塞队列，基于PriorityQueue实现的，是无界队列

### 4. BlockingQueue源码解析 ###

BlockingQueue的5种子类实现方式大同小异，这次就以最常用的ArrayBlockingQueue做源码解析。

#### 4.1 ArrayBlockingQueue类属性 ####

先看一下ArrayBlockingQueue类里面有哪些属性：

// 用来存放数据的数组
    final Object[] items;
    
    // 下次取数据的数组下标位置
    int takeIndex;
    
    // 下次放数据的数组下标位置
    int putIndex;
    
    // 当前已有元素的个数
    int count;
    
    // 独占锁，用来保证存取数据安全
    final ReentrantLock lock;
    
    // 取数据的条件
    private final Condition notEmpty;
    
    // 放数据的条件
    private final Condition notFull;
    复制代码

ArrayBlockingQueue中4组存取数据的方法实现也是大同小异，本次以put和take方法进行解析。

#### 4.2 put方法源码解析 ####

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无论是放数据还是取数据都是从队头开始，逐渐往队尾移动。

// 放数据，如果队列已满，就一直阻塞，直到有其他线程从队列中取走数据
    public void put(E e) throws InterruptedException {
        // 校验元素不能为空
        checkNotNull(e);
        final ReentrantLock lock = this.lock;
      	// 加锁，加可中断的锁
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            // 如果队列已满，就一直阻塞，直到被唤醒
            while (count == items.length)
                notFull.await();
          	// 如果队列未满，就往队列添加元素
            enqueue(e);
        } finally {
          	// 结束后，别忘了释放锁
            lock.unlock();
        }
    }
    
    // 实际往队列添加数据的方法
    private void enqueue(E x) {
        // 获取数组
        final Object[] items = this.items;
        // putIndex 表示本次插入的位置
        items[putIndex] = x;
        // ++putIndex 计算下次插入的位置
        // 如果本次插入的位置，正好等于队尾，下次插入就从 0 开始
        if (++putIndex == items.length)
            putIndex = 0;
      	// 元素数量加一
        count++;
        // 唤醒因为队列空等待的线程
        notEmpty.signal();
    }
    复制代码

源码中有个有意思的设计，添加元素的时候如果已经到了队尾，下次就从队头开始添加，相当于做成了一个循环队列。

像下面这样：

![format_png 2][]

#### 4.3 take方法源码 ####

// 取数据，如果队列为空，就一直阻塞，直到有其他线程往队列中放数据
    public E take() throws InterruptedException {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
      	// 加锁，加可中断的锁
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            // 如果队列为空，就一直阻塞，直到被唤醒
            while (count == 0)
                notEmpty.await();
            // 如果队列不为空，就从队列取数据
            return dequeue();
        } finally {
          	// 结束后，别忘了释放锁
            lock.unlock();
        }
    }
    
    // 实际从队列取数据的方法
    private E dequeue() {
      	// 获取数组
        final Object[] items = this.items;
        // takeIndex 表示本次取数据的位置，是上一次取数据时计算好的
        E x = (E) items[takeIndex];
        // 取完之后，就把队列该位置的元素删除
        items[takeIndex] = null;
        // ++takeIndex 计算下次拿数据的位置
        // 如果本次取数据的位置，正好是队尾，下次就从 0 开始取数据
        if (++takeIndex == items.length)
            takeIndex = 0;
        // 元素数量减一
        count--;
        if (itrs != null)
            itrs.elementDequeued();
        // 唤醒被队列满所阻塞的线程
        notFull.signal();
        return x;
    }
    复制代码

#### 4.4 总结 ####

1.  ArrayBlockingQueue基于数组实现的阻塞队列，创建队列时需指定容量大小，是有界队列。
2.  ArrayBlockingQueue底层采用循环队列的形式，保证数组位置可以重复使用。
3.  ArrayBlockingQueue存取都采用ReentrantLock加锁，保证线程安全，在多线程环境下也可以放心使用。
4.  使用ArrayBlockingQueue的时候，预估好队列长度，保证生产者和消费者速率相匹配。

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