并发容器之ArrayBlockingQueue与LinkedBlockingQueue详解

你的名字 2020-06-14 16:58 707阅读 0赞

## 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。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。

## 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，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。

## 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。

### 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()`）。

### 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。

## 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);
    }

## 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。

### 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方法详解 ###

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。

## 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。