Java中的阻塞队列-LinkedBlockingQueue（二）

原文地址：http://benjaminwhx.com/2018/05/11/%E3%80%90%E7%BB%86%E8%B0%88Java%E5%B9%B6%E5%8F%91%E3%80%91%E8%B0%88%E8%B0%88LinkedBlockingQueue/

在集合框架里，想必大家都用过ArrayList和LinkedList，也经常在面试中问到他们之间的区别。ArrayList和ArrayBlockingQueue一样，内部基于数组来存放元素，而LinkedBlockingQueue则和LinkedList一样，内部基于链表来存放元素。

LinkedBlockingQueue实现了BlockingQueue接口，这里放一张类的继承关系图（图片来自之前的文章：说说队列Queue）

LinkedBlockingQueue不同于ArrayBlockingQueue，它如果不指定容量，默认为Integer.MAX_VALUE，也就是无界队列。所以为了避免队列过大造成机器负载或者内存爆满的情况出现，我们在使用的时候建议手动传一个队列的大小。

2、源码分析

2.1 属性

/**
 * 节点类，用于存储数据
 */
static class Node<E> {
    E item;
    Node<E> next;
 
    Node(E x) { item = x; }
}
 
/** 阻塞队列的大小，默认为Integer.MAX_VALUE */
private final int capacity;
 
/** 当前阻塞队列中的元素个数 */
private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();
 
/**
 * 阻塞队列的头结点
 */
transient Node<E> head;
 
/**
 * 阻塞队列的尾节点
 */
private transient Node<E> last;
 
/** 获取并移除元素时使用的锁，如take, poll, etc */
private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();
 
/** notEmpty条件对象，当队列没有数据时用于挂起执行删除的线程 */
private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();
 
/** 添加元素时使用的锁如 put, offer, etc */
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();
 
/** notFull条件对象，当队列数据已满时用于挂起执行添加的线程 */
private final Condition notFull = putLock.newCondition();

从上面的属性我们知道，每个添加到LinkedBlockingQueue队列中的数据都将被封装成Node节点，添加的链表队列中，其中head和last分别指向队列的头结点和尾结点。与ArrayBlockingQueue不同的是，LinkedBlockingQueue内部分别使用了takeLock 和 putLock 对并发进行控制，也就是说，添加和删除操作并不是互斥操作，可以同时进行，这样也就可以大大提高吞吐量。

这里如果不指定队列的容量大小，也就是使用默认的Integer.MAX_VALUE，如果存在添加速度大于删除速度时候，有可能会内存溢出，这点在使用前希望慎重考虑。

另外，LinkedBlockingQueue对每一个lock锁都提供了一个Condition用来挂起和唤醒其他线程。

构造函数

public LinkedBlockingQueue() {
    // 默认大小为Integer.MAX_VALUE
    this(Integer.MAX_VALUE);
}
 
public LinkedBlockingQueue(int capacity) {
    if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
    this.capacity = capacity;
    last = head = new Node<E>(null);
}
 
public LinkedBlockingQueue(Collection<? extends E> c) {
    this(Integer.MAX_VALUE);
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    putLock.lock();
    try {
        int n = 0;
        for (E e : c) {
            if (e == null)
                throw new NullPointerException();
            if (n == capacity)
                throw new IllegalStateException("Queue full");
            enqueue(new Node<E>(e));
            ++n;
        }
        count.set(n);
    } finally {
        putLock.unlock();
    }
}

默认的构造函数和最后一个构造函数创建的队列大小都为Integer.MAX_VALUE，只有第二个构造函数用户可以指定队列的大小。第二个构造函数最后初始化了last和head节点，让它们都指向了一个元素为null的节点。

方法

同样，LinkedBlockingQueue也有着和ArrayBlockingQueue一样的方法，我们先来看看入队列的方法。

2.3.1、入队方法

LinkedBlockingQueue提供了多种入队操作的实现来满足不同情况下的需求，入队操作有如下几种：

• void put(E e)；
• boolean offer(E e)；
• boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)。

put(E e)

public void put(E e) throws InterruptedException {
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    int c = -1;
    Node<E> node = new Node<E>(e);
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    final AtomicInteger count = this.count;
    // 获取锁中断
    putLock.lockInterruptibly();
    try {
        //判断队列是否已满，如果已满阻塞等待
        while (count.get() == capacity) {
            notFull.await();
        }
        // 把node放入队列中
        enqueue(node);
        c = count.getAndIncrement();
        // 再次判断队列是否有可用空间，如果有唤醒下一个线程进行添加操作
        if (c + 1 < capacity)
            notFull.signal();
    } finally {
        putLock.unlock();
    }
    // 如果队列中有一条数据，唤醒消费线程进行消费
    if (c == 0)
        signalNotEmpty();
}

小结put方法来看，它总共做了以下情况的考虑：

• 队列已满，阻塞等待。
• 队列未满，创建一个node节点放入队列中，如果放完以后队列还有剩余空间，继续唤醒下一个添加线程进行添加。如果放之前队列中没有元素，放完以后要唤醒消费线程进行消费。

offer(E e)

public boolean offer(E e) {
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    final AtomicInteger count = this.count;
    if (count.get() == capacity)
        return false;
    int c = -1;
    Node<E> node = new Node<E>(e);
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    putLock.lock();
    try {
        // 队列有可用空间，放入node节点，判断放入元素后是否还有可用空间，
        // 如果有，唤醒下一个添加线程进行添加操作。
        if (count.get() < capacity) {
            enqueue(node);
            c = count.getAndIncrement();
            if (c + 1 < capacity)
                notFull.signal();
        }
    } finally {
        putLock.unlock();
    }
    if (c == 0)
        signalNotEmpty();
    return c >= 0;
}

可以看到offer仅仅对put方法改动了一点点，当队列没有可用元素的时候，不同于put方法的阻塞等待，offer方法直接方法false。

offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)

public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException {
 
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    long nanos = unit.toNanos(timeout);
    int c = -1;
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    final AtomicInteger count = this.count;
    putLock.lockInterruptibly();
    try {
        // 等待超时时间nanos，超时时间到了返回false
        while (count.get() == capacity) {
            if (nanos <= 0)
                return false;
            nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
        }
        enqueue(new Node<E>(e));
        c = count.getAndIncrement();
        if (c + 1 < capacity)
            notFull.signal();
    } finally {
        putLock.unlock();
    }
    if (c == 0)
        signalNotEmpty();
    return true;
}

该方法只是对offer方法进行了阻塞超时处理，使用了Condition的awaitNanos来进行超时等待，这里为什么要用while循环？因为awaitNanos方法是可中断的，为了防止在等待过程中线程被中断，这里使用while循环进行等待过程中中断的处理，继续等待剩下需等待的时间。