项目中用到了一个叫做 Disruptor 的队列,今天楼主并不是要介绍 Disruptor 而是想巩固一下基础扒一下 JDK 中的阻塞队列,听到队列相信大家对其并不陌生,在我们现实生活中队列随处可见,最经典的就是去银行办理业务等。
当然在计算机世界中,队列是属于一种数据结构,队列采用的FIFO(first in firstout),新元素(等待进入队列的元素)总是被插入到尾部,而读取的时候总是从头部开始读取。在计算中队列一般用来做排队(如线程池的等待排队,锁的等待排队),用来做解耦(生产者消费者模式),异步等等。
JDK 中的队列
在JDK中的队列都实现了 java.util.Queue 接口,在队列中又分为两类,一类是线程不安全的,ArrayDeque,LinkedList等等,还有一类都在java.util.concurrent包下属于线程安全,而在我们真实的环境中,我们的机器都是属于多线程,当多线程对同一个队列进行操作的时,如果使用线程不安全会出现数据丢失等无法预测的事情,所以我们这个时候只能选择线程安全的队列。下面是我们今天要探讨的两个队列
队列名字 | 是否加锁 | 数据结构 | 关键技术点 | 是否有锁 | 是否有界 |
---|---|---|---|---|---|
ArrayBlockingQueue | 是 | 数组array | ReentrantLock | 有锁 | 有界 |
LinkedBlockingQueue | 是 | 链表 | ReentrantLock | 有锁 | 有界 |
ArrayBlockingQueue 源码分析
ArrayBlockingQueue 的原理就是使用一个可重入锁(ReentrantLock )和这个锁生成的两个条件对象进行并发控制,ArrayBlockingQueue是一个有界的阻塞队列,初始化的时候必须要指定队列长度,且指定长度之后不允许进行修改。
成员变量属性
/** The queued items item的集合 */
final Object[] items;
/** items index for next take, poll, peek or remove 取出数据的索引 */
int takeIndex;
/** items index for next put, offer, or add 添加数据的索引 */
int putIndex;
/** Number of elements in the queue 队列元素的个数 */
int count;
/** Main lock guarding all access 可重入的锁 */
final ReentrantLock lock;
/** Condition for waiting takes 队列为空条件等待对象 */
private final Condition notEmpty;
/** Condition for waiting puts 队列满条件等待对象 */
private final Condition notFull;
主要方法源码实现
- add:添加元素到队列里,添加成功返回true,由于容量满了添加失败会抛出
IllegalStateException
异常; - offer:添加元素到队列里,添加成功返回true,添加失败返回false;
- put:添加元素到队列里,如果容量满了会阻塞直到容量不满;
- poll:删除队列头部元素,如果队列为空,返回null。否则返回元素;
- remove:基于对象找到对应的元素,并删除。删除成功返回true,否则返回false;
- take:删除队列头部元素,如果队列为空,一直阻塞到队列有元素并删除。
add方法:
public boolean add(E e) {
if (offer(e))
return true;
else
throw new IllegalStateException("Queue full");
}
offer方法:
public boolean offer(E e) {
checkNotNull(e);
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
if (count == items.length)
return false;
else {
insert(e);
return true;
}
} finally {
lock.unlock();
}
}
我们可以看到,如果队列满了则返回false,如果没有满调用insert。整个方法是通过可重入锁来锁住的,并且最终释放。
接着看一下insert
方法:
private void insert(E x) {
items[putIndex] = x; // 元素添加到数组里
putIndex = inc(putIndex); // 放数据索引+1,当索引满了变成0
++count; // 元素个数+1
notEmpty.signal(); // 使用条件对象notEmpty通知
}
这里insert
被调用的时候就会唤醒notEmpty
上等待的线程进行take
操作。
再看一下put
方法:
public void put(E e) throws InterruptedException {
checkNotNull(e); // 不允许元素为空
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly(); // 加锁,保证调用put方法的时候只有1个线程
try {
while (count == items.length) // 如果队列满了,阻塞当前线程,while用来防止假唤醒
notFull.await(); // 线程阻塞并被挂起,同时释放锁
insert(e); // 调用insert方法
} finally {
lock.unlock(); // 释放锁,让其他线程可以调用put方法
}
}
通过上面代码我们可以知道,add
方法和offer
方法不会阻塞线程,put
方法如果队列满了会阻塞线程,直到有线程消费了队列里的数据才有可能被唤醒。
紧接着我们看一下poll
方法:
public E poll() {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock(); // 加锁,保证调用poll方法的时候只有1个线程
try {
return (count == 0) ? null : extract(); // 如果队列里没元素了,返回null,否则调用extract方法
} finally {
lock.unlock(); // 释放锁,让其他线程可以调用poll方法
}
}
看看这个extract
方法,extract的翻译过来就是提取的意思:
private E extract() {
final Object[] items = this.items;
E x = this.<E>cast(items[takeIndex]); // 得到取索引位置上的元素
items[takeIndex] = null; // 对应取索引上的数据清空
takeIndex = inc(takeIndex); // 取数据索引+1,当索引满了变成0
--count; // 元素个数-1
notFull.signal(); // 使用条件对象notFull通知,原理同上面的insert中
return x; // 返回元素
}
看一下take
方法:
public E take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly(); // 加锁,保证调用take方法的时候只有1个线程
try {
while (count == 0) // 如果队列空,阻塞当前线程,并加入到条件对象notEmpty的等待队列里
notEmpty.await(); // 线程阻塞并被挂起,同时释放锁
return extract(); // 调用extract方法
} finally {
lock.unlock(); // 释放锁,让其他线程可以调用take方法
}
}
remove
方法:
public boolean remove(Object o) {
if (o == null) return false;
final Object[] items = this.items;
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock(); // 加锁,保证调用remove方法的时候只有1个线程
try {
for (int i = takeIndex, k = count; k > 0; i = inc(i), k--) { // 遍历元素
if (o.equals(items[i])) { // 两个对象相等的话
removeAt(i); // 调用removeAt方法
return true; // 删除成功,返回true
}
}
return false; // 删除成功,返回false
} finally {
lock.unlock(); // 释放锁,让其他线程可以调用remove方法
}
}
再看一下removeAt
方法:
private void removeAt(int i) {
final Object[] items = this.items;
if (i == takeIndex) {
// 如果要删除数据的索引是取索引位置,直接删除取索引位置上的数据,然后取索引+1即可
items[takeIndex] = null;
takeIndex = inc(takeIndex);
} else {
// 如果要删除数据的索引不是取索引位置,移动元素元素,更新取索引和放索引的值
for (;;) {
int nexti = inc(i);
if (nexti != putIndex) {
items[i] = items[nexti];
i = nexti;
} else {
items[i] = null;
putIndex = i;
break;
}
}
}
--count; // 元素个数-1
notFull.signal(); // 使用条件对象notFull通知
}
LinkedBlockingQueue 源码分析
LinkedBlockingQueue
是一个使用链表完成队列操作的阻塞队列。链表是单向链表,而不是双向链表。
成员变量属性
/** The capacity bound, or Integer.MAX_VALUE if none 容量大小 */
private final int capacity;
/** Current number of elements 元素个数,因为有2个锁,存在竞态条件,使用AtomicInteger */
private final AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
/**
* Head of linked list.
* Invariant: head.item == null
* 头结点
*/
private transient Node<E> head;
/**
* Tail of linked list.
* Invariant: last.next == null
* 尾节点
*/
private transient Node<E> last;
/** Lock held by take, poll, etc 获取元素的锁 */
private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();
/** Wait queue for waiting takes 取元素的条件对象 */
private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();
/** Lock held by put, offer, etc 放元素的锁 */
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();
/** Wait queue for waiting puts 添加元素的条件对象 */
private final Condition notFull = putLock.newCondition();
主要方法源码实现
由于文章篇幅问题对于LinkedBlockingQueue
我们主要分析以下几个方法:
- offer:添加元素到队列里,添加成功返回true,添加失败返回false;
- put:添加元素到队列里,如果容量满了会阻塞直到容量不满;
- poll:删除队列头部元素,如果队列为空,返回null。否则返回元素;
- remove:基于对象找到对应的元素,并删除。删除成功返回true,否则返回false;
- take:删除队列头部元素,如果队列为空,一直阻塞到队列有元素并删除。
offer
方法:
public boolean offer(E e) {
if (e == null) throw new NullPointerException(); // 不允许空元素
final AtomicInteger count = this.count;
if (count.get() == capacity) // 如果容量满了,返回false
return false;
int c = -1;
Node<E> node = new Node(e); // 容量没满,以新元素构造节点
final ReentrantLock putLock = this.putLock;
putLock.lock(); // 放锁加锁,保证调用offer方法的时候只有1个线程
try {
// 再次判断容量是否已满,因为可能取元素锁在进行消费数据,没满的话继续执行
if (count.get() < capacity) {
enqueue(node); // 节点添加到链表尾部
c = count.getAndIncrement(); // 元素个数+1
if (c + 1 < capacity) // 如果容量还没满
notFull.signal(); // 在放锁的条件对象notFull上唤醒正在等待的线程,表示可以再次往队列里面加数据
}
} finally {
putLock.unlock(); // 释放放锁,让其他线程可以调用offer方法
}
// 由于存在放元素锁和取元素锁,这里可能取元素锁一直在消费数据,count会变化。这里的if条件表示如果队列中还有1条数据
if (c == 0)
// 在拿锁的条件对象notEmpty上唤醒正在等待的1个线程,表示队列里还有1条数据,可以进行消费
signalNotEmpty();
return c >= 0; // 添加成功返回true,否则返回false
}
put
方法:
public void put(E e) throws InterruptedException {
if (e == null) throw new NullPointerException(); // 不允许空元素
int c = -1;
Node<E> node = new Node(e); // 以新元素构造节点
final ReentrantLock putLock = this.putLock;
final AtomicInteger count = this.count;
putLock.lockInterruptibly(); // 放锁加锁,保证调用put方法的时候只有1个线程
try {
while (count.get() == capacity) { // 如果容量满了
notFull.await(); // 阻塞并挂起当前线程
}
enqueue(node); // 节点添加到链表尾部
c = count.getAndIncrement(); // 元素个数+1
if (c + 1 < capacity) // 如果容量还没满
// 在放锁的条件对象notFull上唤醒正在等待的线程,表示可以再次往队列里面加数据了,队列还没满
notFull.signal();
} finally {
putLock.unlock(); // 释放放锁,让其他线程可以调用put方法
}
// 由于存在放锁和拿锁,这里可能拿锁一直在消费数据,count会变化。这里的if条件表示如果队列中还有1条数据
if (c == 0)
// 在拿锁的条件对象notEmpty上唤醒正在等待的1个线程,表示队列里还有1条数据,可以进行消费
signalNotEmpty();
}
poll
方法:
public E poll() {
final AtomicInteger count = this.count;
if (count.get() == 0) // 如果元素个数为0
return null; // 返回null
E x = null;
int c = -1;
final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
takeLock.lock(); // 拿锁加锁,保证调用poll方法的时候只有1个线程
try {
if (count.get() > 0) { // 判断队列里是否还有数据
x = dequeue(); // 删除头结点
c = count.getAndDecrement(); // 元素个数-1
if (c > 1) // 如果队列里还有元素
// 在拿锁的条件对象notEmpty上唤醒正在等待的线程,表示队列里还有数据,可以再次消费
notEmpty.signal();
}
} finally {
takeLock.unlock(); // 释放拿锁,让其他线程可以调用poll方法
}
// 由于存在放锁和拿锁,这里可能放锁一直在添加数据,count会变化。这里的if条件表示如果队列中还可以再插入数据
if (c == capacity)
// 在放锁的条件对象notFull上唤醒正在等待的1个线程,表示队列里还能再次添加数据
signalNotFull();
return x;
}
take
方法:
public E take() throws InterruptedException {
E x;
int c = -1;
final AtomicInteger count = this.count;
final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
takeLock.lockInterruptibly(); // 拿锁加锁,保证调用take方法的时候只有1个线程
try {
while (count.get() == 0) { // 如果队列里已经没有元素了
notEmpty.await(); // 阻塞并挂起当前线程
}
x = dequeue(); // 删除头结点
c = count.getAndDecrement(); // 元素个数-1
if (c > 1) // 如果队列里还有元素
// 在拿锁的条件对象notEmpty上唤醒正在等待的线程,表示队列里还有数据,可以再次消费
notEmpty.signal();
} finally {
takeLock.unlock(); // 释放拿锁,让其他线程可以调用take方法
}
// 由于存在放锁和拿锁,这里可能放锁一直在添加数据,count会变化。这里的if条件表示如果队列中还可以再插入数据
if (c == capacity)
// 在放锁的条件对象notFull上唤醒正在等待的1个线程,表示队列里还能再次添加数据
signalNotFull();
return x;
}
remove
方法:
public boolean remove(Object o) {
if (o == null) return false;
fullyLock(); // remove操作要移动的位置不固定,对读锁写锁都进行加锁
try {
for (Node<E> trail = head, p = trail.next; // 从链表头结点开始遍历
p != null;
trail = p, p = p.next) {
if (o.equals(p.item)) { // 判断是否找到对象
unlink(p, trail); // 修改节点的链接信息,同时调用notFull的signal方法
return true;
}
}
return false;
} finally {
fullyUnlock(); // 2个锁解锁
}
}
紧接着来看一下 fullyLock
与fullyUnlock
方法:
/**
* Locks to prevent both puts and takes.
*/
void fullyLock() {
putLock.lock();
takeLock.lock();
}
/**
* Unlocks to allow both puts and takes.
*/
void fullyUnlock() {
takeLock.unlock();
putLock.unlock();
}
LinkedBlockingQueue
的take方法对于没数据的情况下会阻塞,poll
方法删除链表头结点,remove方法删除指定的对象。
需要注意的是remove
方法由于要删除的数据的位置不确定,需要2个锁同时加锁。
小结
文章有点长,JDK中的阻塞队列线程安全的主要有ArrayBlockingQueue
,LinkedBlockingQueue
,LinkedTransferQueue
,DelayQueue
四种,今天楼主把ArrayBlockingQueue
,LinkedBlockingQueue
放在一起介绍主要原因是这两者都是使用可重入锁 ReentrantLock
实现的线程安全。
当然二者也有很大的不同,主要是:
1,ArrayBlockingQueue
只有1个锁,添加数据和删除数据的时候只能有1个被执行,不允许并行执行。
而LinkedBlockingQueue
有2个锁,放元素锁和取元素锁,添加数据和删除数据是可以并行进行的,当然添加数据和删除数据的时候只能有1个线程各自执行。
2,ArrayBlockingQueue
中放入数据阻塞的时候,需要消费数据才能唤醒。
而LinkedBlockingQueue
中放入数据阻塞的时候,因为它内部有2个锁,可以并行执行放入数据和消费数据,不仅在消费数据的时候进行唤醒插入阻塞的线程,同时在插入的时候如果容量还没满,也会唤醒插入阻塞的线程。
参考链接
作 者:haifeiWu
原文链接:www.hchstudio.cn/article/201…
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