ArrayBlockingQueue详解

ArrayBlockingQueue介绍

　　ArrayBlockingQueue是最典型的有界阻塞队列，其内部是用数组存储元素的，初始化时需要指定容量大小，利用 ReentrantLock 实现线程安全。

　　在生产者-消费者模型中使用时，如果生产速度和消费速度基本匹配的情况下，使用ArrayBlockingQueue是个不错选择；当如果生产速度远远大于消费速度，则会导致队列填满，大量生产线程被阻塞。

　　使用独占锁ReentrantLock实现线程安全，入队和出队操作使用同一个锁对象，也就是只能有一个线程可以进行入队或者出队操作；这也就意味着生产者和消费者无法并行操作，在高并发场景下会成为性能瓶颈。

ArrayBlockingQueue的源码分析

　　【1】属性值

/** 队列元素数组 */
final Object[] items;
/** 下一个被take，poll，peek，remove的元素位置 */
int takeIndex;
/** 插入位置包含put，offer，add */
int putIndex;
/** 队列元素的数量 */
int count;
/** 重入锁 */
final ReentrantLock lock;
/** 等待获取的条件队列 */
private final Condition notEmpty;
/** 等待插入的条件队列 */
private final Condition notFull;
//迭代器的共享状态
transient Itrs itrs = null;

　　【2】构造函数

//默认采用非公平锁
public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
    this(capacity, false);
}


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();
}

public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair,Collection<? extends E> c) {
    //初始化阻塞队列
    this(capacity, fair);
    //加锁将数组元素填入阻塞队列（主要是考虑到重排序和可见性问题，因为Object[] items 并没有加上 volatile 属性）
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock(); // Lock only for visibility, not mutual exclusion
    try {
        int i = 0;
        try {
            for (E e : c) {
                checkNotNull(e);
                items[i++] = e;
            }
        } catch (ArrayIndexOutOfBoundsException ex) {
            throw new IllegalArgumentException();
        }
        count = i;
        //将插入位置下变更
        putIndex = (i == capacity) ? 0 : i;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

　　【3】核心方法分析

　　　　1）入队put方法

public void put(E e) throws InterruptedException {
    //检查是否为空
    checkNotNull(e);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    //加锁，如果线程中断抛出异常 
    lock.lockInterruptibly();
    try {
       //阻塞队列已满，则将生产者挂起，等待消费者唤醒
       //设计注意点： 用while不用if是为了防止虚假唤醒
        while (count == items.length)
            notFull.await(); //队列满了，使用notFull等待（生产者阻塞）
        // 入队
        enqueue(e);
    } finally {
        lock.unlock(); // 唤醒消费者线程
    }
}
    
private void enqueue(E x) {
    final Object[] items = this.items;
    //入队   使用的putIndex
    items[putIndex] = x;
    if (++putIndex == items.length) 
        putIndex = 0;  //设计的精髓： 环形数组，putIndex指针到数组尽头了，返回头部
    count++;
    //notEmpty条件队列转同步队列，准备唤醒消费者线程，因为入队了一个元素，肯定不为空了
    notEmpty.signal();
}

　　　　2）出队take方法

public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    //加锁，如果线程中断抛出异常 
    lock.lockInterruptibly();
    try {
       //如果队列为空，则消费者挂起
        while (count == 0)
            notEmpty.await();
        //出队
        return dequeue();
    } finally {
        lock.unlock();// 唤醒生产者线程
    }
}
private E dequeue() {
    final Object[] items = this.items;
    @SuppressWarnings(\"unchecked\")
    E x = (E) items[takeIndex]; //取出takeIndex位置的元素
    items[takeIndex] = null;
    if (++takeIndex == items.length)
        takeIndex = 0; //设计的精髓： 环形数组，takeIndex 指针到数组尽头了，返回头部
    count--;
    if (itrs != null)
        itrs.elementDequeued();
    //notFull条件队列转同步队列，准备唤醒生产者线程，此时队列有空位
    notFull.signal();
    return x;
}

　　　　3）其余offer&poll&peek&remove方法

public boolean offer(E e) {
    checkNotNull(e);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        if (count == items.length)
            return false;
        else {
            enqueue(e);
            return true;
        }
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

//本质区别在于设置了超时时间，超时后选择不加入，返回false
public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {

    checkNotNull(e);
    long nanos = unit.toNanos(timeout);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        while (count == items.length) {
            if (nanos <= 0)
                return false;
            //生产线程堵塞nanos时间，也有可能被唤醒，如果超过nanos时间还未被唤醒，则nanos=0，再次循环，就会返回false
            nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
        }
        enqueue(e);
        return true;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

public E poll() {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        return (count == 0) ? null : dequeue();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

//本质区别在于设置了超时时间，超时后选择不获取，返回null
public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
    long nanos = unit.toNanos(timeout);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        while (count == 0) {
            if (nanos <= 0)
                return null;
            nanos = notEmpty.awaitNanos(nanos);
        }
        return dequeue();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

public E peek() {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        //通过下标查找直接返回
        return itemAt(takeIndex); // null when queue is empty
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

final E itemAt(int i) {
    return (E) items[i];
}

public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) return false;
    final Object[] items = this.items;
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        if (count > 0) {
            final int putIndex = this.putIndex;
            int i = takeIndex;
            do {
                if (o.equals(items[i])) {
                    removeAt(i);
                    return true;
                }
                if (++i == items.length)
                    i = 0;
            } while (i != putIndex);
        }
        return false;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

void removeAt(final int removeIndex) {
    final Object[] items = this.items;
    if (removeIndex == takeIndex) {
        // removing front item; just advance
        items[takeIndex] = null;
        if (++takeIndex == items.length)
            takeIndex = 0;
        count--;
        if (itrs != null)
            itrs.elementDequeued();
    } else {
        final int putIndex = this.putIndex;
        for (int i = removeIndex;;) {
            int next = i + 1;
            if (next == items.length)
                next = 0;
            if (next != putIndex) {
                items[i] = items[next];
                i = next;
            } else {
                items[i] = null;
                this.putIndex = i;
                break;
            }
        }
        count--;
        if (itrs != null)
            itrs.removedAt(removeIndex);
    }
    notFull.signal();
}

ArrayBlockingQueue总结

　　【1】有界阻塞队列，先进先出，存取相互排斥

　　【2】数据结构：静态数组（容量固定须指定长度，没有扩容机制，没有元素的位置也占用空间，被null占位）

　　【3】ReentrantLock锁保证互斥性：存取都是同一把锁，操作的是同一个数组对象，存取相互排斥

　　【4】阻塞对象（notEmpty【出队：队列count=0，无元素可取时，阻塞在该对象上】，notFull【入队：队列count=length，放不进元素时，阻塞在该对象上】）

　　【5】入队，从队首开始添加元素，记录putIndex（到队尾时设置为0），唤醒notEmpty

　　【6】出队，从队首开始添加元素，记录takeIndex（到队尾时设置为0），唤醒notFull

　　【7】两个指针都是从队首向队尾移动，保证队列的先进先出原则（亮点：利用指针和数组，形成环状结构，重复利用内存空间）

来源：https://www.cnblogs.com/chafry/p/16780051.html
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