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并发容器之ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue实现原理详解

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1. 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,关于 BlockingQueue 可以看这篇文章。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。

2. 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,关于 condition 可以看这篇文章的详细介绍。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。

2.1 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;

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/** 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();
}
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接下来,主要看看可阻塞式的 put 和 take 方法是怎样实现的。

2.2 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();
    }
}
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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();
}
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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())。

2.3 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();
    }
}
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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;
}
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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。

3. 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);
}
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3.1 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();

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/** 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(takeLockputLock)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(notEmptynotFull)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&lt;E&gt; next;

Node(E x) { item = x; }
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}

接下来,我们也同样来看看 put 方法和 take 方法的实现。

3.2 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();
}
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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;
}
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take 方法的主要逻辑请见于注释,也很容易理解。

4. 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;

  1. 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putLocktakeLock,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。
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