前面的博客中 并发编程-阻塞队列及使用 介绍了常见的阻塞队列的特点以及基本的使用，这里以ArrayBlockingQueue为例，首先分析 BlockingQueue 即阻塞队列的线程安全原理，然后再看看非阻塞队列的并发安全原理。
BlockingQueue 源码分析
ArrayBlockingQueue
首先看一下ArrayBlockingQueue的源码，ArrayBlockingQueue有以下几个重要的属性：
// 用于存放元素的数组
final Object[] items;
// 下一次读取操作的位置
int takeIndex;
// 下一次写入操作的位置
int putIndex;
// 队列中的元素数量
int count;
第一个就是最核心的、用于存储元素的Object类型的数组；然后它还会有两个位置变量，分别是takeIndex和 putIndex，这两个变量就是用来标明下一次读取和写入位置的；另外还有一个count用来计数，它所记录的就是队列中的元素个数。
另外，再来看下面这三个变量：
// ReentrantLock lock
final ReentrantLock lock;
// ReentrantLock.newCondition()
private final Condition notEmpty;
// ReentrantLock.newCondition()
private final Condition notFull;
// 构造方法
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();
}
这三个变量也非常关键，第一个就是一个 ReentrantLock，而下面两个 Condition 分别是由 ReentrantLock 产生出来的，这三个变量就是我们实现线程安全最核心的工具。
利于一张网络上的图，描述一下我们的同步机制：
ArrayBlockingQueue 正是利用了 ReentrantLock 和它的两个 Condition 实现的并发安全，真正执行在读写操作前，都需要先获取到锁才行。
下面，我们来分析一下最重要的 put 方法：
public void put(E e) throws InterruptedException {
checkNotNull(e);
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == items.length)
notFull.await();
enqueue(e);
} finally {
lock.unlock();
}
}
在 put 方法中，首先用 checkNotNull 方法去检查插入的元素是不是 null。如果不是 null，我们会用 ReentrantLock 上锁，并且上锁方法是 lock.lockInterruptibly()。这个方法我们在第 23 课时的时候讲过，在获取锁的同时是可以响应中断的，这也正是我们的阻塞队列在调用 put 方法时，在尝试获取锁但还没拿到锁的期间可以响应中断的底层原因。
紧接着 ，是一个非常经典的 try finally 代码块，finally 中会去解锁，try 中会有一个 while 循环，它会检查当前队列是不是已经满了，也就是 count 是否等于数组的长度。如果等于就代表已经满了，于是我们便会进行等待，直到有空余的时候，我们才会执行下一步操作，调用 enqueue 方法让元素进入队列，最后用 unlock 方法解锁。
ArrayBlockingQueue 实现并发同步的原理就是，读操作和写操作都需要获取到 AQS 独占锁才能进行操作。如果队列为空，这个时候读操作的线程进入到读线程队列排队，等待写线程写入新的元素，然后唤醒读线程队列的第一个等待线程。如果队列已满，这个时候写操作的线程进入到写线程队列排队，等待读线程将队列元素移除腾出空间，然后唤醒写线程队列的第一个等待线程。
对于 ArrayBlockingQueue，我们可以在构造的时候指定以下三个参数：
-
队列容量，其限制了队列中最多允许的元素个数；
-
指定独占锁是公平锁还是非公平锁。非公平锁的吞吐量比较高，公平锁可以保证每次都是等待最久的线程获取到锁；
-
可以指定用一个集合来初始化，将此集合中的元素在构造方法期间就先添加到队列中。
和ArrayBlockingQueue 类似，其他各种阻塞队列如 LinkedBlockingQueue、PriorityBlockingQueue、DelayQueue、DelayedWorkQueue 等一系列 BlockingQueue 的内部也是利用了 ReentrantLock 来保证线程安全，只不过细节有差异，比如 LinkedBlockingQueue 的内部有两把锁，分别锁住队列的头和尾，比共用同一把锁的效率更高，不过总体思想都是类似的。
LinkedBlockingQueue
底层基于单向链表实现的阻塞队列，可以当做无界队列也可以当做有界队列来使用。构造方法：
// 无界队列
public LinkedBlockingQueue() {
this(Integer.MAX_VALUE);
}
// 有界队列
public LinkedBlockingQueue(int capacity) {
if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
this.capacity = capacity;
last = head = new Node<E>(null);
}
注意，这里会初始化一个空的头结点，那么第一个元素入队的时候，队列中就会有两个元素。读取元素时，也总是获取头节点后面的一个节点。count 的计数值不包括这个头节点。
读操作是排好队的，写操作也是排好队的，唯一的并发问题在于一个写操作和一个读操作同时进行，只要控制好这个就可以了。
源码主要属性
// 队列容量
private final int capacity;
// 队列中的元素数量
private final AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
// 队头
private transient Node<E> head;
// 队尾
private transient Node<E> last;
// take, poll, peek 等读操作的方法需要获取到这个锁
private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();
// 如果读操作的时候队列是空的，那么等待 notEmpty 条件
private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();
// put, offer 等写操作的方法需要获取到这个锁
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();
// 如果写操作的时候队列是满的，那么等待 notFull 条件
private final Condition notFull = putLock.newCondition();
这里用了两个锁，两个 Condition，简单介绍如下：
takeLock 和 notEmpty 怎么搭配：如果要获取（take）一个元素，需要获取 takeLock 锁，但是获取了锁还不够，如果队列此时为空，还需要队列不为空（notEmpty）这个条件（Condition）。
putLock 需要和 notFull 搭配：如果要插入（put）一个元素，需要获取 putLock 锁，但是获取了锁还不够，如果队列此时已满，还需要队列不是满的（notFull）这个条件（Condition）。
- 来看下 put() 方法是怎么将元素插入到队尾的：
public void put(E e) throws InterruptedException {
if (e == null) throw new NullPointerException();
// 如果你纠结这里为什么是 -1，可以看看 offer 方法。这就是个标识成功、失败的标志而已。
int c = -1;
Node<E> node = new Node(e);
final ReentrantLock putLock = this.putLock;
final AtomicInteger count = this.count;
// 必须要获取到 putLock 才可以进行插入操作
putLock.lockInterruptibly();
try {
// 如果队列满，等待 notFull 的条件满足。
while (count.get() == capacity) {
notFull.await();
}
// 入队
enqueue(node);
// count 原子加 1，c 还是加 1 前的值
c = count.getAndIncrement();
// 如果这个元素入队后，还有至少一个槽可以使用，调用 notFull.signal() 唤醒等待线程。
// 哪些线程会等待在 notFull 这个 Condition 上呢？
if (c + 1 < capacity)
notFull.signal();
} finally {
// 入队后，释放掉 putLock
putLock.unlock();
}
// 如果 c == 0，那么代表队列在这个元素入队前是空的（不包括head空节点），
// 那么所有的读线程都在等待 notEmpty 这个条件，等待唤醒，这里做一次唤醒操作
if (c == 0)
signalNotEmpty();
}
// 入队的代码非常简单，就是将 last 属性指向这个新元素，并且让原队尾的 next 指向这个元素
// 这里入队没有并发问题，因为只有获取到 putLock 独占锁以后，才可以进行此操作
private void enqueue(Node<E> node) {
// assert putLock.isHeldByCurrentThread();
// assert last.next == null;
last = last.next = node;
}
// 元素入队后，如果需要，调用这个方法唤醒读线程来读
private void signalNotEmpty() {
final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
takeLock.lock();
try {
notEmpty.signal();
} finally {
takeLock.unlock();
}
}
- take()方法
public E take() throws InterruptedException {
E x;
int c = -1;
final AtomicInteger count = this.count;
final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
// 首先，需要获取到 takeLock 才能进行出队操作
takeLock.lockInterruptibly();
try {
// 如果队列为空，等待 notEmpty 这个条件满足再继续执行
while (count.get() == 0) {
notEmpty.await();
}
// 出队
x = dequeue();
// count 进行原子减 1
c = count.getAndDecrement();
// 如果这次出队后，队列中至少还有一个元素，那么调用 notEmpty.signal() 唤醒其他的读线程
if (c > 1)
notEmpty.signal();
} finally {
// 出队后释放掉 takeLock
takeLock.unlock();
}
// 如果 c == capacity，那么说明在这个 take 方法发生的时候，队列是满的
// 既然出队了一个，那么意味着队列不满了，唤醒写线程去写
if (c == capacity)
signalNotFull();
return x;
}
// 取队头，出队
private E dequeue() {
// assert takeLock.isHeldByCurrentThread();
// assert head.item == null;
// 之前说了，头结点是空的
Node<E> h = head;
Node<E> first = h.next;
h.next = h; // help GC
// 设置这个为新的头结点
head = first;
E x = first.item;
first.item = null;
return x;
}
// 元素出队后，如果需要，调用这个方法唤醒写线程来写
private void signalNotFull() {
final ReentrantLock putLock = this.putLock;
putLock.lock();
try {
notFull.signal();
} finally {
putLock.unlock();
}
}
源码中已标注相应的注释，这里源码展示到这里。
SynchronousQueue
它是一个特殊的队列，它的名字其实就蕴含了它的特征 - - 同步的队列。为什么说是同步的呢？这里说的并不是多线程的并发问题，而是因为当一个线程往队列中写入一个元素时，写入操作不会立即返回，需要等待另一个线程来将这个元素拿走；同理，当一个读线程做读操作的时候，同样需要一个相匹配的写线程的写操作。这里的 Synchronous 指的就是读线程和写线程需要同步，一个读线程匹配一个写线程。
比较少使用到SynchronousQueue这个类，不过它在线程池的实现类ThreadPoolExecutor中得到了应用，感兴趣的读者可以在看完这个后去看看相应的使用。
虽然上面我说了队列，但是SynchronousQueue的队列其实是虚的，其不提供任何空间（一个都没有）来存储元素。数据必须从某个写线程交给某个读线程，而不是写到某个队列中等待被消费。
你不能在SynchronousQueue 中使用 peek 方法（在这里这个方法直接返回 null），peek 方法的语义是只读取不移除，显然，这个方法的语义是不符合 SynchronousQueue 的特征的。SynchronousQueue 也不能被迭代，因为根本就没有元素可以拿来迭代的。虽然 SynchronousQueue 间接地实现了 Collection 接口，但是如果你将其当做 Collection 来用的话，那么集合是空的。当然，这个类也是不允许传递 null 值的（并发包中的容器类好像都不支持插入 null 值，因为 null 值往往用作其他用途，比如用于方法的返回值代表操作失败）。
源码：略
PriorityBlockingQueue
带排序的BlockingQueue 实现，其并发控制采用的是 ReentrantLock，队列为无界队列（ArrayBlockingQueue 是有界队列，LinkedBlockingQueue 也可以通过在构造函数中传入 capacity 指定队列最大的容量，但是 PriorityBlockingQueue 只能指定初始的队列大小，后面插入元素的时候，如果空间不够的话会自动扩容）。
简单地说，它就是 PriorityQueue 的线程安全版本。不可以插入 null 值，同时，插入队列的对象必须是可比较大小的（comparable），否则报 ClassCastException 异常。它的插入操作 put 方法不会 block，因为它是无界队列（take 方法在队列为空的时候会阻塞）。
主要属性源码：
// 构造方法中，如果不指定大小的话，默认大小为 11
private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 11;
// 数组的最大容量
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
// 这个就是存放数据的数组
private transient Object[] queue;
// 队列当前大小
private transient int size;
// 大小比较器，如果按照自然序排序，那么此属性可设置为 null
private transient Comparator<? super E> comparator;
// 并发控制所用的锁，所有的 public 且涉及到线程安全的方法，都必须先获取到这个锁
private final ReentrantLock lock;
// 这个很好理解，其实例由上面的 lock 属性创建
private final Condition notEmpty;
// 这个也是用于锁，用于数组扩容的时候，需要先获取到这个锁，才能进行扩容操作
// 其使用 CAS 操作
private transient volatile int allocationSpinLock;
// 用于序列化和反序列化的时候用，对于 PriorityBlockingQueue 我们应该比较少使用到序列化
private PriorityQueue q;
此类实现了 Collection 和 Iterator 接口中的所有接口方法，对其对象进行迭代并遍历时，不能保证有序性。如果你想要实现有序遍历，建议采用 Arrays.sort(queue.toArray()) 进行处理。PriorityBlockingQueue 提供了 drainTo 方法用于将部分或全部元素有序地填充（准确说是转移，会删除原队列中的元素）到另一个集合中。还有一个需要说明的是，如果两个对象的优先级相同（compare 方法返回 0），此队列并不保证它们之间的顺序。
PriorityBlockingQueue 使用了基于数组的二叉堆来存放元素，所有的 public 方法采用同一个 lock 进行并发控制。
二叉堆：一颗完全二叉树，它非常适合用数组进行存储，对于数组中的元素 a[i]，其左子节点为 a[2i+1]，其右子节点为 a[2i + 2]，其父节点为 a[(i-1)/2]，其堆序性质为，每个节点的值都小于其左右子节点的值。二叉堆中最小的值就是根节点，但是删除根节点是比较麻烦的，因为需要调整树。
阻塞队列总结：
-
ArrayBlockingQueue 底层是数组，有界队列，如果我们要使用生产者-消费者模式，这是非常好的选择。
-
LinkedBlockingQueue 底层是链表，可以当做无界和有界队列来使用，所以大家不要以为它就是无界队列。
-
SynchronousQueue 本身不带有空间来存储任何元素，使用上可以选择公平模式和非公平模式。
-
PriorityBlockingQueue 是无界队列，基于数组，数据结构为二叉堆，数组第一个也是树的根节点总是最小值。
非阻塞队列ConcurrentLinkedQueue
看完阻塞队列之后，我们就来看看非阻塞队列 ConcurrentLinkedQueue。顾名思义，ConcurrentLinkedQueue 是使用链表作为其数据结构的，我们来看一下关键方法 offer 的源码：
public boolean offer(E e) {
checkNotNull(e);
final Node<E> newNode = new Node<E>(e);
for (Node<E> t = tail, p = t;;) {
Node<E> q = p.next;
if (q == null) {
// p is last node
if (p.casNext(null, newNode)) {
// Successful CAS is the linearization point
// for e to become an element of this queue,
// and for newNode to become "live".
if (p != t) // hop two nodes at a time
casTail(t, newNode); // Failure is OK.
return true;
}
// Lost CAS race to another thread; re-read next
}
else if (p == q)
// We have fallen off list. If tail is unchanged, it
// will also be off-list, in which case we need to
// jump to head, from which all live nodes are always
// reachable. Else the new tail is a better bet.
p = (t != (t = tail)) ? t : head;
else
// Check for tail updates after two hops.
p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q;
}
}
在这里我们不去一行一行分析具体的内容，而是把目光放到整体的代码结构上，在检查完空判断之后，可以看到它整个是一个大的 for 循环，而且是一个非常明显的死循环。在这个循环中有一个非常亮眼的 p.casNext 方法，这个方法正是利用了 CAS 来操作的，而且这个死循环去配合 CAS 也就是典型的乐观锁的思想。我们就来看一下 p.casNext 方法的具体实现，其方法代码如下：
boolean casNext(Node<E> cmp, Node<E> val) {
return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, nextOffset, cmp, val);
}
可以看出这里运用了 UNSAFE.compareAndSwapObject 方法来完成 CAS 操作，而 compareAndSwapObject 是一个 native 方法，最终会利用 CPU 的 CAS 指令保证其不可中断。
可以看出，非阻塞队列 ConcurrentLinkedQueue 使用 CAS 非阻塞算法 + 不停重试，来实现线程安全，适合用在不需要阻塞功能，且并发不是特别剧烈的场景。
最后我们来做一下总结。本课时我们分析了阻塞队列和非阻塞队列的并发安全原理，其中阻塞队列最主要是利用了 ReentrantLock 以及它的 Condition 来实现，而非阻塞队列则是利用 CAS 方法实现线程安全。
