Java多线程系列--“JUC集合”07之 ArrayBlockingQueue

概要

本章对Java.util.concurrent包中的ArrayBlockingQueue类进行详细的介绍。内容包括:
ArrayBlockingQueue介绍
ArrayBlockingQueue原理和数据结构
ArrayBlockingQueue函数列表
ArrayBlockingQueue源码分析(JDK1.7.0_40版本)
ArrayBlockingQueue示例

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ArrayBlockingQueue介绍

ArrayBlockingQueue是数组实现的线程安全的有界的阻塞队列。
线 程安全是指,ArrayBlockingQueue内部通过“互斥锁”保护竞争资源,实现了多线程对竞争资源的互斥访问。而有界,则是指 ArrayBlockingQueue对应的数组是有界限的。 阻塞队列,是指多线程访问竞争资源时,当竞争资源已被某线程获取时,其它要获取该资源的线程需要阻塞等待;而且,ArrayBlockingQueue是 按 FIFO(先进先出)原则对元素进行排序,元素都是从尾部插入到队列,从头部开始返回。

注意:ArrayBlockingQueue不同于ConcurrentLinkedQueue,ArrayBlockingQueue是数组实现的,并且是有界限的;而ConcurrentLinkedQueue是链表实现的,是无界限的。

 

ArrayBlockingQueue原理和数据结构

ArrayBlockingQueue的数据结构,如下图所示:

《Java多线程系列--“JUC集合”07之 ArrayBlockingQueue》

说明
    1. ArrayBlockingQueue继承于AbstractQueue,并且它实现了BlockingQueue接口。
    2. ArrayBlockingQueue内部是通过Object[]数组保存数据的,也就是说ArrayBlockingQueue本质上是通过数组实现 的。ArrayBlockingQueue的大小,即数组的容量是创建ArrayBlockingQueue时指定的。
    3. ArrayBlockingQueue与ReentrantLock是组合关系,ArrayBlockingQueue中包含一个 ReentrantLock对象(lock)。ReentrantLock是可重入的互斥锁,ArrayBlockingQueue就是根据该互斥锁实现 “多线程对竞争资源的互斥访问”。而且,ReentrantLock分为公平锁和非公平锁,关于具体使用公平锁还是非公平锁,在创建 ArrayBlockingQueue时可以指定;而且,ArrayBlockingQueue默认会使用非公平锁。
    4. ArrayBlockingQueue与Condition是组合关系,ArrayBlockingQueue中包含两个Condition对象 (notEmpty和notFull)。而且,Condition又依赖于ArrayBlockingQueue而存在,通过Condition可以实现 对ArrayBlockingQueue的更精确的访问 — (01)若某线程(线程A)要取数据时,数组正好为空,则该线程会执行notEmpty.await()进行等待;当其它某个线程(线程B)向数组中插入 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。(02)若某线程 (线程H)要插入数据时,数组已满,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。
    关于ReentrantLock,公平锁,非公平锁,以及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

 

ArrayBlockingQueue函数列表

《Java多线程系列--“JUC集合”07之 ArrayBlockingQueue》

// 创建一个带有给定的(固定)容量和默认访问策略的 ArrayBlockingQueue。 ArrayBlockingQueue(int capacity) // 创建一个具有给定的(固定)容量和指定访问策略的 ArrayBlockingQueue。 ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) // 创建一个具有给定的(固定)容量和指定访问策略的 ArrayBlockingQueue,它最初包含给定 collection 的元素,并以 collection 迭代器的遍历顺序添加元素。 ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair, Collection<? extends E> c) // 将指定的元素插入到此队列的尾部(如果立即可行且不会超过该队列的容量),在成功时返回 true,如果此队列已满,则抛出 IllegalStateException。 boolean add(E e) // 自动移除此队列中的所有元素。 void clear() // 如果此队列包含指定的元素,则返回 true。 boolean contains(Object o) // 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) // 返回在此队列中的元素上按适当顺序进行迭代的迭代器。 Iterator<E> iterator() // 将指定的元素插入到此队列的尾部(如果立即可行且不会超过该队列的容量),在成功时返回 true,如果此队列已满,则返回 false。 boolean offer(E e) // 将指定的元素插入此队列的尾部,如果该队列已满,则在到达指定的等待时间之前等待可用的空间。 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) // 将指定的元素插入此队列的尾部,如果该队列已满,则等待可用的空间。 void put(E e) // 返回在无阻塞的理想情况下(不存在内存或资源约束)此队列能接受的其他元素数量。 int remainingCapacity() // 从此队列中移除指定元素的单个实例(如果存在)。 boolean remove(Object o) // 返回此队列中元素的数量。 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() // 返回一个按适当顺序包含此队列中所有元素的数组。 Object[] toArray() // 返回一个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()

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ArrayBlockingQueue源码分析(JDK1.7.0_40版本)

ArrayBlockingQueue.java的完整源码如下:

《Java多线程系列--“JUC集合”07之 ArrayBlockingQueue》
View Code

 

下面从ArrayBlockingQueue的创建,添加,取出,遍历这几个方面对ArrayBlockingQueue进行分析。

1. 创建

下面以ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair)来进行说明。

《Java多线程系列--“JUC集合”07之 ArrayBlockingQueue》

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(); }

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说明
(01) items是保存“阻塞队列”数据的数组。它的定义如下:

final Object[] items;

(02) fair是“可重入的独占锁(ReentrantLock)”的类型。fair为true,表示是公平锁;fair为false,表示是非公平锁。
notEmpty和notFull是锁的两个Condition条件。它们的定义如下:

final ReentrantLock lock; private final Condition notEmpty; private final Condition notFull;

简单对Condition和Lock的用法进行说明,更多内容请参考“Java多线程系列–“JUC锁”06之 Condition条件”。
Lock的作用是提供独占锁机制,来保护竞争资源;而Condition是为了更加精细的对锁进行控制,它依赖于Lock,通过某个条件对多线程进行控制。
notEmpty 表示“锁的非空条件”。当某线程想从队列中取数据时,而此时又没有数据,则该线程通过notEmpty.await()进行等待;当其它线程向队列中插入 了元素之后,就调用notEmpty.signal()唤醒“之前通过notEmpty.await()进入等待状态的线程”。
同理,notFull表示“锁的满条件”。当某线程想向队列中插入元素,而此时队列已满时,该线程等待;当其它线程从队列中取出元素之后,就唤醒该等待的线程。

 

2. 添加

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

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public boolean offer(E e) { // 创建插入的元素是否为null,是的话抛出NullPointerException异常  checkNotNull(e); // 获取“该阻塞队列的独占锁” final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock(); try { // 如果队列已满,则返回false。 if (count == items.length) return false; else { // 如果队列未满,则插入e,并返回true。  insert(e); return true; } } finally { // 释放锁  lock.unlock(); } }

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说明:offer(E e)的作用是将e插入阻塞队列的尾部。如果队列已满,则返回false,表示插入失败;否则,插入元素,并返回true。
(01) count表示”队列中的元素个数“。除此之外,队列中还有另外两个遍历takeIndex和putIndex。takeIndex表示下一个被取出元素的索引,putIndex表示下一个被添加元素的索引。它们的定义如下:

// 队列中的元素个数 int takeIndex; // 下一个被取出元素的索引 int putIndex; // 下一个被添加元素的索引 int count;

(02) insert()的源码如下

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private void insert(E x) { // 将x添加到”队列“中 items[putIndex] = x; // 设置”下一个被取出元素的索引“ putIndex = inc(putIndex); // 将”队列中的元素个数”+1 ++count; // 唤醒notEmpty上的等待线程  notEmpty.signal(); }

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insert()在插入元素之后,会唤醒notEmpty上面的等待线程。

inc()的源码如下:

final int inc(int i) { return (++i == items.length) ? 0 : i; }

若i+1的值等于“队列的长度”,即添加元素之后,队列满;则设置“下一个被添加元素的索引”为0。

 

3. 取出

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

《Java多线程系列--“JUC集合”07之 ArrayBlockingQueue》

public E take() throws InterruptedException { // 获取“队列的独占锁” final ReentrantLock lock = this.lock; // 获取“锁”,若当前线程是中断状态,则抛出InterruptedException异常  lock.lockInterruptibly(); try { // 若“队列为空”,则一直等待。 while (count == 0) notEmpty.await(); // 取出元素 return extract(); } finally { // 释放“锁”  lock.unlock(); } }

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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。

extract()的源码如下:

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private E extract() { final Object[] items = this.items; // 强制将元素转换为“泛型E” E x = this.<E>cast(items[takeIndex]); // 将第takeIndex元素设为null,即删除。同时,帮助GC回收。 items[takeIndex] = null; // 设置“下一个被取出元素的索引” takeIndex = inc(takeIndex); // 将“队列中元素数量”-1 --count; // 唤醒notFull上的等待线程。  notFull.signal(); return x; }

《Java多线程系列--“JUC集合”07之 ArrayBlockingQueue》

说明:extract()在删除元素之后,会唤醒notFull上的等待线程。

 

4. 遍历

下面对ArrayBlockingQueue的遍历方法进行说明。

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

 

Itr是实现了Iterator接口的类,它的源码如下:

《Java多线程系列--“JUC集合”07之 ArrayBlockingQueue》

private class Itr implements Iterator<E> { // 队列中剩余元素的个数 private int remaining; // Number of elements yet to be returned // 下一次调用next()返回的元素的索引 private int nextIndex; // Index of element to be returned by next // 下一次调用next()返回的元素 private E nextItem; // Element to be returned by next call to next // 上一次调用next()返回的元素 private E lastItem; // Element returned by last call to next // 上一次调用next()返回的元素的索引 private int lastRet; // Index of last element returned, or -1 if none  Itr() { // 获取“阻塞队列”的锁 final ReentrantLock lock = ArrayBlockingQueue.this.lock; lock.lock(); try { lastRet = -1; if ((remaining = count) > 0) nextItem = itemAt(nextIndex = takeIndex); } finally { // 释放“锁”  lock.unlock(); } } public boolean hasNext() { return remaining > 0; } public E next() { // 获取“阻塞队列”的锁 final ReentrantLock lock = ArrayBlockingQueue.this.lock; lock.lock(); try { // 若“剩余元素<=0”,则抛出异常。 if (remaining <= 0) throw new NoSuchElementException(); lastRet = nextIndex; // 获取第nextIndex位置的元素 E x = itemAt(nextIndex); // check for fresher value if (x == null) { x = nextItem; // we are forced to report old value lastItem = null; // but ensure remove fails  } else lastItem = x; while (--remaining > 0 && // skip over nulls (nextItem = itemAt(nextIndex = inc(nextIndex))) == null) ; return x; } finally { lock.unlock(); } } public void remove() { final ReentrantLock lock = ArrayBlockingQueue.this.lock; lock.lock(); try { int i = lastRet; if (i == -1) throw new IllegalStateException(); lastRet = -1; E x = lastItem; lastItem = null; // only remove if item still at index if (x != null && x == items[i]) { boolean removingHead = (i == takeIndex); removeAt(i); if (!removingHead) nextIndex = dec(nextIndex); } } finally { lock.unlock(); } } }

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ArrayBlockingQueue示例

《Java多线程系列--“JUC集合”07之 ArrayBlockingQueue》

import java.util.*; import java.util.concurrent.*; /* * ArrayBlockingQueue是“线程安全”的队列,而LinkedList是非线程安全的。 * * 下面是“多个线程同时操作并且遍历queue”的示例 * (01) 当queue是ArrayBlockingQueue对象时,程序能正常运行。 * (02) 当queue是LinkedList对象时,程序会产生ConcurrentModificationException异常。 * * @author skywang */ public class ArrayBlockingQueueDemo1{ // TODO: queue是LinkedList对象时,程序会出错。 //private static Queue<String> queue = new LinkedList<String>(); private static Queue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<String>(20); public static void main(String[] args) { // 同时启动两个线程对queue进行操作! new MyThread("ta").start(); new MyThread("tb").start(); } private static void printAll() { String value; Iterator iter = queue.iterator(); while(iter.hasNext()) { value = (String)iter.next(); System.out.print(value+", "); } System.out.println(); } private static class MyThread extends Thread { MyThread(String name) { super(name); } @Override public void run() { int i = 0; while (i++ < 6) { // “线程名” + "-" + "序号" String val = Thread.currentThread().getName()+i; queue.add(val); // 通过“Iterator”遍历queue。  printAll(); } } } }

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(某一次)运行结果

《Java多线程系列--“JUC集合”07之 ArrayBlockingQueue》

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

《Java多线程系列--“JUC集合”07之 ArrayBlockingQueue》

结果说明如果将源码中的queue改成LinkedList对象时,程序会产生ConcurrentModificationException异常。

    原文作者:JUC
    原文地址: http://www.cnblogs.com/wzyxidian/p/5325754.html
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