概要

本章介绍JUC包中的LinkedBlockingQueue。内容包括：
LinkedBlockingQueue介绍
LinkedBlockingQueue原理和数据结构
LinkedBlockingQueue函数列表
LinkedBlockingQueue源码分析(JDK1.7.0_40版本)
LinkedBlockingQueue示例

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LinkedBlockingQueue介绍

LinkedBlockingQueue是一个单向链表实现的阻塞队列。该队列按 FIFO（先进先出）排序元素，新元素插入到队列的尾部，并且队列获取操作会获得位于队列头部的元素。链接队列的吞吐量通常要高于基于数组的队列，但是在 大多数并发应用程序中，其可预知的性能要低。

此外，LinkedBlockingQueue还是可选容量的(防止过度膨胀)，即可以指定队列的容量。如果不指定，默认容量大小等于Integer.MAX_VALUE。

LinkedBlockingQueue原理和数据结构

LinkedBlockingQueue的数据结构，如下图所示：

说明：
1. LinkedBlockingQueue继承于AbstractQueue，它本质上是一个FIFO(先进先出)的队列。
2. LinkedBlockingQueue实现了BlockingQueue接口，它支持多线程并发。当多线程竞争同一个资源时，某线程获取到该资源之后，其它线程需要阻塞等待。
3. LinkedBlockingQueue是通过单链表实现的。
(01) head是链表的表头。取出数据时，都是从表头head处插入。
(02) last是链表的表尾。新增数据时，都是从表尾last处插入。
(03) count是链表的实际大小，即当前链表中包含的节点个数。
(04) capacity是列表的容量，它是在创建链表时指定的。
(05) putLock是插入锁，takeLock是取出锁；notEmpty是“非空条件”，notFull是“未满条件”。通过它们对链表进行并发控制。
       LinkedBlockingQueue在实现“多线程对竞争资源的互斥访问”时，对于“插入”和“取出(删除)”操作分别使用了不同的锁。对于插入操作，通过“插入锁putLock”进行同步；对于取出操作，通过“取出锁takeLock”进行同步。
       此外，插入锁putLock和“非满条件notFull”相关联，取出锁takeLock和“非空条件notEmpty”相关联。通过notFull和notEmpty更细腻的控制锁。

     -- 若某线程(线程A)要取出数据时，队列正好为空，则该线程会执行notEmpty.await()进行等待；当其它某个线程(线程B)向队列中插入了数据之后，会调用notEmpty.signal()唤醒“notEmpty上的等待线程”。此时，线程A会被唤醒从而得以继续运行。 此外，线程A在执行取操作前，会获取takeLock，在取操作执行完毕再释放takeLock。 -- 若某线程(线程H)要插入数据时，队列已满，则该线程会它执行notFull.await()进行等待；当其它某个线程(线程I)取出数据之后，会调用notFull.signal()唤醒“notFull上的等待线程”。此时，线程H就会被唤醒从而得以继续运行。 此外，线程H在执行插入操作前，会获取putLock，在插入操作执行完毕才释放putLock。

关于ReentrantLock 和 Condition等更多的内容，可以参考：
    (01) Java多线程系列–“JUC锁”02之 互斥锁ReentrantLock
    (02) Java多线程系列–“JUC锁”03之 公平锁(一)
    (03) Java多线程系列–“JUC锁”04之 公平锁(二)
    (04) Java多线程系列–“JUC锁”05之 非公平锁
    (05) Java多线程系列–“JUC锁”06之 Condition条件

LinkedBlockingQueue函数列表

// 创建一个容量为 Integer.MAX_VALUE 的 LinkedBlockingQueue。 LinkedBlockingQueue() // 创建一个容量是 Integer.MAX_VALUE 的 LinkedBlockingQueue，最初包含给定 collection 的元素，元素按该 collection 迭代器的遍历顺序添加。 LinkedBlockingQueue(Collection<? extends E> c) // 创建一个具有给定（固定）容量的 LinkedBlockingQueue。 LinkedBlockingQueue(int capacity) // 从队列彻底移除所有元素。 void clear() // 移除此队列中所有可用的元素，并将它们添加到给定 collection 中。 int drainTo(Collection<? super E> c) // 最多从此队列中移除给定数量的可用元素，并将这些元素添加到给定 collection 中。 int drainTo(Collection<? super E> c, int maxElements) // 返回在队列中的元素上按适当顺序进行迭代的迭代器。 Iterator<E> iterator() // 将指定元素插入到此队列的尾部（如果立即可行且不会超出此队列的容量），在成功时返回 true，如果此队列已满，则返回 false。 boolean offer(E e) // 将指定元素插入到此队列的尾部，如有必要，则等待指定的时间以使空间变得可用。 boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) // 获取但不移除此队列的头；如果此队列为空，则返回 null。 E peek() // 获取并移除此队列的头，如果此队列为空，则返回 null。 E poll() // 获取并移除此队列的头部，在指定的等待时间前等待可用的元素（如果有必要）。 E poll(long timeout, TimeUnit unit) // 将指定元素插入到此队列的尾部，如有必要，则等待空间变得可用。 void put(E e) // 返回理想情况下（没有内存和资源约束）此队列可接受并且不会被阻塞的附加元素数量。 int remainingCapacity() // 从此队列移除指定元素的单个实例（如果存在）。 boolean remove(Object o) // 返回队列中的元素个数。 int size() // 获取并移除此队列的头部，在元素变得可用之前一直等待（如果有必要）。 E take() // 返回按适当顺序包含此队列中所有元素的数组。 Object[] toArray() // 返回按适当顺序包含此队列中所有元素的数组；返回数组的运行时类型是指定数组的运行时类型。 <T> T[] toArray(T[] a) // 返回此 collection 的字符串表示形式。 String toString()

LinkedBlockingQueue源码分析(JDK1.7.0_40版本)

LinkedBlockingQueue.java的完整源码如下：

View Code

下面从LinkedBlockingQueue的创建，添加，删除，遍历这几个方面对它进行分析。

1. 创建

下面以LinkedBlockingQueue(int capacity)来进行说明。

public LinkedBlockingQueue(int capacity) { if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException(); this.capacity = capacity; last = head = new Node<E>(null); }

说明：
(01) capacity是“链式阻塞队列”的容量。
(02) head和last是“链式阻塞队列”的首节点和尾节点。它们在LinkedBlockingQueue中的声明如下：

// 容量 private final int capacity; // 当前数量 private final AtomicInteger count = new AtomicInteger(0); private transient Node<E> head; // 链表的表头 private transient Node<E> last; // 链表的表尾 // 用于控制“删除元素”的互斥锁takeLock 和 锁对应的“非空条件”notEmpty private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock(); private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition(); // 用于控制“添加元素”的互斥锁putLock 和 锁对应的“非满条件”notFull private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock(); private final Condition notFull = putLock.newCondition();

链表的节点定义如下：

static class Node<E> { E item; // 数据 Node<E> next; // 下一个节点的指针  Node(E x) { item = x; } }

2. 添加

下面以offer(E e)为例，对LinkedBlockingQueue的添加方法进行说明。

public boolean offer(E e) { if (e == null) throw new NullPointerException(); // 如果“队列已满”，则返回false，表示插入失败。 final AtomicInteger count = this.count; if (count.get() == capacity) return false; int c = -1; // 新建“节点e” Node<E> node = new Node(e); final ReentrantLock putLock = this.putLock; // 获取“插入锁putLock”  putLock.lock(); try { // 再次对“队列是不是满”的进行判断。 // 若“队列未满”，则插入节点。 if (count.get() < capacity) { // 插入节点  enqueue(node); // 将“当前节点数量”+1，并返回“原始的数量” c = count.getAndIncrement(); // 如果在插入元素之后，队列仍然未满，则唤醒notFull上的等待线程。 if (c + 1 < capacity) notFull.signal(); } } finally { // 释放“插入锁putLock”  putLock.unlock(); } // 如果在插入节点前，队列为空；则插入节点后，唤醒notEmpty上的等待线程 if (c == 0) signalNotEmpty(); return c >= 0; }

说明：offer()的作用很简单，就是将元素E添加到队列的末尾。

enqueue()的源码如下：

private void enqueue(Node<E> node) { // assert putLock.isHeldByCurrentThread(); // assert last.next == null; last = last.next = node; }

enqueue()的作用是将node添加到队列末尾，并设置node为新的尾节点！

signalNotEmpty()的源码如下：

private void signalNotEmpty() { final ReentrantLock takeLock = this.takeLock; takeLock.lock(); try { notEmpty.signal(); } finally { takeLock.unlock(); } }

signalNotEmpty()的作用是唤醒notEmpty上的等待线程。

3. 取出

下面以take()为例，对LinkedBlockingQueue的取出方法进行说明。

public E take() throws InterruptedException { E x; int c = -1; final AtomicInteger count = this.count; final ReentrantLock takeLock = this.takeLock; // 获取“取出锁”，若当前线程是中断状态，则抛出InterruptedException异常  takeLock.lockInterruptibly(); try { // 若“队列为空”，则一直等待。 while (count.get() == 0) { notEmpty.await(); } // 取出元素 x = dequeue(); // 取出元素之后，将“节点数量”-1；并返回“原始的节点数量”。 c = count.getAndDecrement(); if (c > 1) notEmpty.signal(); } finally { // 释放“取出锁”  takeLock.unlock(); } // 如果在“取出元素之前”，队列是满的；则在取出元素之后，唤醒notFull上的等待线程。 if (c == capacity) signalNotFull(); return x; }

说明：take()的作用是取出并返回队列的头。若队列为空，则一直等待。

dequeue()的源码如下：

private E dequeue() { // assert takeLock.isHeldByCurrentThread(); // assert head.item == null; Node<E> h = head; Node<E> first = h.next; h.next = h; // help GC head = first; E x = first.item; first.item = null; return x; }

dequeue()的作用就是删除队列的头节点，并将表头指向“原头节点的下一个节点”。

signalNotFull()的源码如下：

private void signalNotFull() { final ReentrantLock putLock = this.putLock; putLock.lock(); try { notFull.signal(); } finally { putLock.unlock(); } }

signalNotFull()的作用就是唤醒notFull上的等待线程。

4. 遍历

下面对LinkedBlockingQueue的遍历方法进行说明。

public Iterator<E> iterator() { return new Itr(); }

iterator()实际上是返回一个Iter对象。

Itr类的定义如下：

private class Itr implements Iterator<E> { // 当前节点 private Node<E> current; // 上一次返回的节点 private Node<E> lastRet; // 当前节点对应的值 private E currentElement; Itr() { // 同时获取“插入锁putLock” 和 “取出锁takeLock”  fullyLock(); try { // 设置“当前元素”为“队列表头的下一节点”，即为队列的第一个有效节点 current = head.next; if (current != null) currentElement = current.item; } finally { // 释放“插入锁putLock” 和 “取出锁takeLock”  fullyUnlock(); } } // 返回“下一个节点是否为null” public boolean hasNext() { return current != null; } private Node<E> nextNode(Node<E> p) { for (;;) { Node<E> s = p.next; if (s == p) return head.next; if (s == null || s.item != null) return s; p = s; } } // 返回下一个节点 public E next() { fullyLock(); try { if (current == null) throw new NoSuchElementException(); E x = currentElement; lastRet = current; current = nextNode(current); currentElement = (current == null) ? null : current.item; return x; } finally { fullyUnlock(); } } // 删除下一个节点 public void remove() { if (lastRet == null) throw new IllegalStateException(); fullyLock(); try { Node<E> node = lastRet; lastRet = null; for (Node<E> trail = head, p = trail.next; p != null; trail = p, p = p.next) { if (p == node) { unlink(p, trail); break; } } } finally { fullyUnlock(); } } }

LinkedBlockingQueue示例

 1 import java.util.*;  2 import java.util.concurrent.*;  3  4 /*  5  * LinkedBlockingQueue是“线程安全”的队列，而LinkedList是非线程安全的。  6  *  7  * 下面是“多个线程同时操作并且遍历queue”的示例  8  * (01) 当queue是LinkedBlockingQueue对象时，程序能正常运行。  9  * (02) 当queue是LinkedList对象时，程序会产生ConcurrentModificationException异常。 10  * 11  * @author skywang 12 */ 13 public class LinkedBlockingQueueDemo1 { 14 15 // TODO: queue是LinkedList对象时，程序会出错。 16 //private static Queue<String> queue = new LinkedList<String>(); 17 private static Queue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<String>(); 18 public static void main(String[] args) { 19 20 // 同时启动两个线程对queue进行操作！ 21 new MyThread("ta").start(); 22 new MyThread("tb").start(); 23  } 24 25 private static void printAll() { 26  String value; 27 Iterator iter = queue.iterator(); 28 while(iter.hasNext()) { 29 value = (String)iter.next(); 30 System.out.print(value+", "); 31  } 32  System.out.println(); 33  } 34 35 private static class MyThread extends Thread { 36  MyThread(String name) { 37 super(name); 38  } 39  @Override 40 public void run() { 41 int i = 0; 42 while (i++ < 6) { 43 // “线程名” + "-" + "序号" 44 String val = Thread.currentThread().getName()+i; 45  queue.add(val); 46 // 通过“Iterator”遍历queue。 47  printAll(); 48  } 49  } 50  } 51 }

(某一次)运行结果：

tb1, ta1, 
tb1, ta1, ta2, 
tb1, ta1, ta2, ta3, 
tb1, ta1, ta2, ta3, ta4, 
tb1, ta1, tb1, ta2, ta1, ta3, ta2, ta4, ta3, ta5, 
ta4, tb1, ta5, ta1, ta6, 
ta2, tb1, ta3, ta1, ta4, ta2, ta5, ta3, ta6, ta4, tb2, 
ta5, ta6, tb2, 
tb1, ta1, ta2, ta3, ta4, ta5, ta6, tb2, tb3, 
tb1, ta1, ta2, ta3, ta4, ta5, ta6, tb2, tb3, tb4, 
tb1, ta1, ta2, ta3, ta4, ta5, ta6, tb2, tb3, tb4, tb5, 
tb1, ta1, ta2, ta3, ta4, ta5, ta6, tb2, tb3, tb4, tb5, tb6,

结果说明：
示 例程序中，启动两个线程(线程ta和线程tb)分别对LinkedBlockingQueue进行操作。以线程ta而言，它会先获取“线程名”+“序 号”，然后将该字符串添加到LinkedBlockingQueue中；接着，遍历并输出LinkedBlockingQueue中的全部元素。 线程tb的操作和线程ta一样，只不过线程tb的名字和线程ta的名字不同。
当queue是LinkedBlockingQueue对象时，程序能正常运行。如果将queue改为LinkedList时，程序会产生ConcurrentModificationException异常。