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前言
上一节看了基于数据的有界阻塞队列 ArrayBlockingQueue 的源码，通过阅读源码了解到在 ArrayBlockingQueue 中入队列和出队列操作都是用了 ReentrantLock 来保证线程安全。下面咱们看另一种有界阻塞队列：LinkedBlockingQueue。
介绍
一个基于链接节点的，可选绑定的 BlockingQueue 阻塞队列。
对元素 FIFO（先进先出）进行排序。队列的头部是已在队列中停留最长时间的元素。队列的尾部是最短时间出现在队列中的元素。将新元素插入队列的尾部，并检索队列操作获取队列开头的元素。
基于连表的队列通常具有比基于数组的队列有更高的吞吐量，但是大多数并发应用程序中的可预测性较差。
基本使用
public class LinkedBlockingQueueTest { private static final LinkedBlockingQueue<String> QUEUE = new LinkedBlockingQueue<>(10); public static void main(String[] args) throws InterruptedException { // 入队列 QUEUE.put("put 入队列, 队列满则会阻塞等待"); QUEUE.add("add 入队列, 队列满则会抛出异常"); QUEUE.offer("offer 入队列, 队列满会返回 false"); // 出队列 // 队列空返回 null String poll = QUEUE.poll(); // 队列空会阻塞等待 String take = QUEUE.take(); // 仅仅看一下最早入队列的元素 String peek = QUEUE.peek(); } }
问题疑问
- LinkedBlockingQueue 的实现原理是什么？
- LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue 的区别是什么？
源码分析
基本结构
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参数介绍
static class Node<E> { E item; /** * One of: * - 真正的后继节点 * - 有值，表示后继者是head.next * - null，表示没有后继（这是最后一个节点） */ Node<E> next; Node(E x) { item = x; } }
首先在 LinkedBlockingQueue 中有一个静态内部类 Node 支持泛型，下面看下其他字
段：
/** 初始容量，如果没有，则为Integer.MAX_VALUE */ private final int capacity; /** 当前元素数 */ private final AtomicInteger count = new AtomicInteger(); /** * 链表头 * 不变的是: head.item == null */ transient Node<E> head; /** * 链表尾 * 不变的是: last.next == null */ private transient Node<E> last; /** 执行 take, poll 等操作需要获取到 takeLock */ private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock(); /** 等待执行 take 操作的线程，会放入这个条件队列 */ private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition(); /** 执行 put, offer 等操作需要获取到 putLock */ private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock(); /** 等待执行 put 操作的线程，会被放入这个条件队列 */ private final Condition notFull = putLock.newCondition();
构造函数
public LinkedBlockingQueue() { this(Integer.MAX_VALUE); } // 创建时指定容量 public LinkedBlockingQueue(int capacity) { if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException(); this.capacity = capacity; last = head = new Node<E>(null); }
通过构造函数可以看出，在初始化 LinkedBlockingQueue 时，如果不传入容量则会默认指定 Integer.MAX_VALUE。
添加元素
add 方法是直接调用的父类 AbstractQueue 的方法，内部调用的 LinkedBlockingQueue 自己实现的 offer 方法
public boolean add(E e) { if (offer(e)) return true; else throw new IllegalStateException("Queue full"); }
主要阅读的还是 LinkedBlockingQueue 的 put 和 offer 方法：
public void put(E e) throws InterruptedException { // 插入元 if (e == null) throw new NullPointerException(); // Note: 所有put / take / etc中的约定是预设本地变量 // 保持计数为负表示失败，除非置位。 int c = -1; Node<E> node = new Node<E>(e); final ReentrantLock putLock = this.putLock; final AtomicInteger count = this.count; putLock.lockInterruptibly(); try { // 如果已经到最大容量，则等待 while (count.get() == capacity) { notFull.await(); } enqueue(node); // 总数进行增加， 返回的是先前的容量 c = count.getAndIncrement(); // 判断是否需要唤醒入队列阻塞的线程 if (c + 1 < capacity) notFull.signal(); } finally { putLock.unlock(); } if (c == 0) // 唤醒因调用 notEmpty 的 await 方法而被阻塞的线程 signalNotEmpty(); }
public boolean offer(E e) { // 为空抛出异常 if (e == null) throw new NullPointerException(); final AtomicInteger count = this.count; // 如果已经到最大容量，返回 false if (count.get() == capacity) return false; int c = -1; Node<E> node = new Node<E>(e); final ReentrantLock putLock = this.putLock; putLock.lock(); try { 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; }
通过上面两段代码可以看出 put 和 offer 的最大区别在于是否阻塞。 put 方法当队列达到指定容量时，会阻塞，等待有元素出队列。而 offer 方法会直接返回 false。
同时两个方法操作元素入队列都是调用的 enqueue(node) 方法，下面一起看下 enqueue 方法。
private void enqueue(Node<E> node) { // assert putLock.isHeldByCurrentThread(); // assert last.next == null; last = last.next = node; }
在 enqueue 方法中，直接指定当前尾节点的 next 为传入的元素即可。
获取元素
public E poll() { final AtomicInteger count = this.count; // 队列为空返回 null if (count.get() == 0) return null; E x = null; int c = -1; // 加锁 final ReentrantLock takeLock = this.takeLock; takeLock.lock(); try { if (count.get() > 0) { x = dequeue(); // 减少队列元素计数，返回的是旧值 c = count.getAndDecrement(); if (c > 1) // 旧值大于 1 ，就是当前大于 0 // 唤醒调用 notEmpty.await 等待的线程 notEmpty.signal(); } } finally { takeLock.unlock(); } if (c == capacity) // 如果旧值等于 capacity 说明当前空了一个位置 signalNotFull(); return x; }
public E take() throws InterruptedException { E x; int c = -1; final AtomicInteger count = this.count; final ReentrantLock takeLock = this.takeLock; takeLock.lockInterruptibly(); try { // 阻塞等待 while (count.get() == 0) { notEmpty.await(); } x = dequeue(); c = count.getAndDecrement(); if (c > 1) notEmpty.signal(); } finally { takeLock.unlock(); } if (c == capacity) signalNotFull(); return x; }
通过上面代码可以看出 poll 和 take 方法逻辑大致相同。区别就是在当前队列为空时的处理逻辑。poll 在当前队列为空时返回 null，take 会阻塞等待，知道当前队列中有元素。
poll 和 take 都试用 dequeue() 方法从队列中获取元素。
private E dequeue() { // assert takeLock.isHeldByCurrentThread(); // assert head.item == null; Node<E> h = head; Node<E> first = h.next; h.next = h; // help GC head = first; E x = first.item; first.item = null; return x; }
dequeue() 方法逻辑就是获取头节点，并将 head 指向下一个节点。
查看元素
public E peek() { if (count.get() == 0) return null; final ReentrantLock takeLock = this.takeLock; takeLock.lock(); try { Node<E> first = head.next; if (first == null) return null; else return first.item; } finally { takeLock.unlock(); } }
peek() 方法比较简单，直接获取 head 的元素值即可。
总结
Q&A
Q: LinkedBlockingQueue 的实现原理？
A: LinkedBlockingQueue 是基于链表实现的，内部使用 ReentrantLock 互斥锁，防止并发放置元素或者取出元素的冲突问题。
- take、poll、peek 等从队列中获取元素的操作共用 takeLock 锁。
- add、put、offer 等向队列中添加元素的操作共同 putLock 锁。
- notEmpty 和 notFull 是 Condition 类型，在 take 和 put 操作时，如果如果队列为空或者队列已满，会调用相应的 await 将线程放入条件队列。
Q: 入队列和出队列方法之间的区别是什么？
| 方法 | 作用 |
| add | 添加元素，队列满了，添加失败抛出遗产 |
| offer | 添加元素， 队列满了，添加失败，返回 false |
| put | 添加元素，队列满了，阻塞等待 |
| poll | 弹出元素，队列为空则返回 null |
| take | 弹出元素，队列为空则等待队列中有元素 |
| peek | 查看队列中放入最早的一个元素 |
结束语
LinkedBlockingQueue 使用和 ArrayBlockingQueue 并没有什么区别，内部实现都是使用的 ReentrantLock，可以对照着阅读。同时 Condition 这块也需要着重了解一下。
