死磕 java集合之ArrayBlockingQueue源码分析

问题

（1）ArrayBlockingQueue的实现方式？

（2）ArrayBlockingQueue是否需要扩容？

（3）ArrayBlockingQueue有什么缺点？

简介

ArrayBlockingQueue是java并发包下一个以数组实现的阻塞队列，它是线程安全的，至于是否需要扩容，请看下面的分析。

队列

队列，是一种线性表，它的特点是先进先出，又叫FIFO，就像我们平常排队一样，先到先得，即先进入队列的人先出队。

源码分析

主要属性

// 使用数组存储元素
final Object[] items;
// 取元素的指针
int takeIndex;
// 放元素的指针
int putIndex;
// 元素数量
int count;
// 保证并发访问的锁
final ReentrantLock lock;
// 非空条件
private final Condition notEmpty;
// 非满条件
private final Condition notFull;

通过属性我们可以得出以下几个重要信息：

（1）利用数组存储元素；

（2）通过放指针和取指针来标记下一次操作的位置；

（3）利用重入锁来保证并发安全；

主要构造方法

public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
 this(capacity, false);
}
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
 if (capacity <= 0)
 throw new IllegalArgumentException();
 // 初始化数组
 this.items = new Object[capacity];
 // 创建重入锁及两个条件
 lock = new ReentrantLock(fair);
 notEmpty = lock.newCondition();
 notFull = lock.newCondition();
}

通过构造方法我们可以得出以下两个结论：

（1）ArrayBlockingQueue初始化时必须传入容量，也就是数组的大小；

（2）可以通过构造方法控制重入锁的类型是公平锁还是非公平锁；

入队

入队有四个方法，它们分别是add(E e)、offer(E e)、put(E e)、offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)，它们有什么区别呢？

public boolean add(E e) {
 // 调用父类的add(e)方法
 return super.add(e);
}
// super.add(e)
public boolean add(E e) {
 // 调用offer(e)如果成功返回true，如果失败抛出异常
 if (offer(e))
 return true;
 else
 throw new IllegalStateException("Queue full");
}
public boolean offer(E e) {
 // 元素不可为空
 checkNotNull(e);
 final ReentrantLock lock = this.lock;
 // 加锁
 lock.lock();
 try {
 if (count == items.length)
 // 如果数组满了就返回false
 return false;
 else {
 // 如果数组没满就调用入队方法并返回true
 enqueue(e);
 return true;
 }
 } finally {
 // 解锁
 lock.unlock();
 }
}
public void put(E e) throws InterruptedException {
 checkNotNull(e);
 final ReentrantLock lock = this.lock;
 // 加锁，如果线程中断了抛出异常
 lock.lockInterruptibly();
 try {
 // 如果数组满了，使用notFull等待
 // notFull等待的意思是说现在队列满了
 // 只有取走一个元素后，队列才不满
 // 然后唤醒notFull，然后继续现在的逻辑
 // 这里之所以使用while而不是if
 // 是因为有可能多个线程阻塞在lock上
 // 即使唤醒了可能其它线程先一步修改了队列又变成满的了
 // 这时候需要再次等待
 while (count == items.length)
 notFull.await();
 // 入队
 enqueue(e);
 } finally {
 // 解锁
 lock.unlock();
 }
}
public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
 throws InterruptedException {
 checkNotNull(e);
 long nanos = unit.toNanos(timeout);
 final ReentrantLock lock = this.lock;
 // 加锁
 lock.lockInterruptibly();
 try {
 // 如果数组满了，就阻塞nanos纳秒
 // 如果唤醒这个线程时依然没有空间且时间到了就返回false
 while (count == items.length) {
 if (nanos <= 0)
 return false;
 nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
 }
 // 入队
 enqueue(e);
 return true;
 } finally {
 // 解锁
 lock.unlock();
 }
}
private void enqueue(E x) {
 final Object[] items = this.items;
 // 把元素直接放在放指针的位置上
 items[putIndex] = x;
 // 如果放指针到数组尽头了，就返回头部
 if (++putIndex == items.length)
 putIndex = 0;
 // 数量加1
 count++;
 // 唤醒notEmpty，因为入队了一个元素，所以肯定不为空了
 notEmpty.signal();
}

（1）add(e)时如果队列满了则抛出异常；

（2）offer(e)时如果队列满了则返回false；

（3）put(e)时如果队列满了则使用notFull等待；

（4）offer(e, timeout, unit)时如果队列满了则等待一段时间后如果队列依然满就返回false；

（5）利用放指针循环使用数组来存储元素；

出队

出队有四个方法，它们分别是remove()、poll()、take()、poll(long timeout, TimeUnit unit)，它们有什么区别呢？

public E remove() {
 // 调用poll()方法出队
 E x = poll();
 if (x != null)
 // 如果有元素出队就返回这个元素
 return x;
 else
 // 如果没有元素出队就抛出异常
 throw new NoSuchElementException();
}
public E poll() {
 final ReentrantLock lock = this.lock;
 // 加锁
 lock.lock();
 try {
 // 如果队列没有元素则返回null，否则出队
 return (count == 0) ? null : dequeue();
 } finally {
 lock.unlock();
 }
}
public E take() throws InterruptedException {
 final ReentrantLock lock = this.lock;
 // 加锁
 lock.lockInterruptibly();
 try {
 // 如果队列无元素，则阻塞等待在条件notEmpty上
 while (count == 0)
 notEmpty.await();
 // 有元素了再出队
 return dequeue();
 } finally {
 // 解锁
 lock.unlock();
 }
}
public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
 long nanos = unit.toNanos(timeout);
 final ReentrantLock lock = this.lock;
 // 加锁
 lock.lockInterruptibly();
 try {
 // 如果队列无元素，则阻塞等待nanos纳秒
 // 如果下一次这个线程获得了锁但队列依然无元素且已超时就返回null
 while (count == 0) {
 if (nanos <= 0)
 return null;
 nanos = notEmpty.awaitNanos(nanos);
 }
 return dequeue();
 } finally {
 lock.unlock();
 }
}
private E dequeue() {
 final Object[] items = this.items;
 @SuppressWarnings("unchecked")
 // 取取指针位置的元素
 E x = (E) items[takeIndex];
 // 把取指针位置设为null
 items[takeIndex] = null;
 // 取指针前移，如果数组到头了就返回数组前端循环利用
 if (++takeIndex == items.length)
 takeIndex = 0;
 // 元素数量减1
 count--;
 if (itrs != null)
 itrs.elementDequeued();
 // 唤醒notFull条件
 notFull.signal();
 return x;
}

（1）remove()时如果队列为空则抛出异常；

（2）poll()时如果队列为空则返回null；

（3）take()时如果队列为空则阻塞等待在条件notEmpty上；

（4）poll(timeout, unit)时如果队列为空则阻塞等待一段时间后如果还为空就返回null；

（5）利用取指针循环从数组中取元素；

总结

（1）ArrayBlockingQueue不需要扩容，因为是初始化时指定容量，并循环利用数组；

（2）ArrayBlockingQueue利用takeIndex和putIndex循环利用数组；

（3）入队和出队各定义了四组方法为满足不同的用途；

（4）利用重入锁和两个条件保证并发安全；

彩蛋

（1）论BlockingQueue中的那些方法？

BlockingQueue是所有阻塞队列的顶级接口，它里面定义了一批方法，它们有什么区别呢？

（2）ArrayBlockingQueue有哪些缺点呢？

a）队列长度固定且必须在初始化时指定，所以使用之前一定要慎重考虑好容量；

b）如果消费速度跟不上入队速度，则会导致提供者线程一直阻塞，且越阻塞越多，非常危险；

c）只使用了一个锁来控制入队出队，效率较低，那是不是可以借助分段的思想把入队出队分裂成两个锁呢？且听下回分解。