回归Java基础：LinkedBlockingQueue阻塞队列解析

捡田螺的小男孩
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前言

整理了阻塞队列LinkedBlockingQueue的学习笔记，希望对大家有帮助。有哪里不正确，欢迎指出，感谢。

LinkedBlockingQueue的概述

LinkedBlockingQueue的继承体系图

我们先来看看LinkedBlockingQueue的继承体系。使用IntelliJ IDEA查看类的继承关系图形

  • 蓝色实线箭头是指类继承关系
  • 绿色箭头实线箭头是指接口继承关系
  • 绿色虚线箭头是指接口实现关系。

LinkedBlockingQueue实现了序列化接口 Serializable，因此它有序列化的特性。 LinkedBlockingQueue实现了BlockingQueue接口，BlockingQueue继承了Queue接口，因此它拥有了队列Queue相关方法的操作。

LinkedBlockingQueue的类图

类图来自Java并发编程之美

LinkedBlockingQueue主要特性：

  1. LinkedBlockingQueue底层数据结构为单向链表。
  2. LinkedBlockingQueue 有两个Node节点，一个head节点，一个tail节点，只能从head取元素，从tail添加元素。
  3. LinkedBlockingQueue 容量是一个原子变量count，它的初始值为0。
  4. LinkedBlockingQueue有两把ReentrantLock的锁，一把控制元素入队，一把控制出队，保证在并发情况下的线程安全。
  5. LinkedBlockingQueue 有两个条件变量，notEmpty 和 notFull。它们内部均有一个条件队列，存放着出入队列被阻塞的线程，这其实是生产者-消费者模型。

LinkedBlockingQueue的重要成员变量

//容量范围,默认值为 Integer.MAX_VALUE
private final int capacity;

//当前队列元素个数
private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();

//头结点
transient Node<E> head;

//尾节点
private transient Node<E> last;

//take, poll等方法的可重入锁
private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();

//当队列为空时，执行出队操作（比如take ）的线程会被放入这个条件队列进行等待
private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();

//put, offer等方法的可重入锁
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();

//当队列满时， 执行进队操作（ 比如put）的线程会被放入这个条件队列进行等待
private final Condition notFull = putLock.newCondition();

LinkedBlockingQueue的构造函数

LinkedBlockingQueue有三个构造函数：

  1. 无参构造函数，容量为Integer.MAX
public LinkedBlockingQueue() {
   this(Integer.MAX_VALUE);
}
  1. 设置指定容量的构造器
public LinkedBlockingQueue(int capacity) {
  if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
   //设置队列大小
   this.capacity = capacity;
   //new一个null节点，head、tail节点指向该节点
   last = head = new Node<E>(null);
}
  1. 传入集合，如果调用该构造器，容量默认也是Integer.MAX_VALUE
 public LinkedBlockingQueue(Collection<? extends E> c) {
        //调用指定容量的构造器
        this(Integer.MAX_VALUE);
        //获取put, offer的可重入锁
        final ReentrantLock putLock = this.putLock;
        putLock.lock(); 
        try {
            int n = 0;
            //循环向队列中添加集合中的元素
            for (E e : c) {
                if (e == null)
                    throw new NullPointerException();
                if (n == capacity)
                    throw new IllegalStateException("Queue full");
                //将队列的last节点指向该节点
                enqueue(new Node<E>(e));
                ++n;
            }
            //更新容量值
            count.set(n);
        } finally {
            //释放锁
            putLock.unlock();
        }
    }

LinkedBlockingQueue底层Node类

Node源码

static class Node<E> {
    // 当前节点的元素值
    E item;
    // 下一个节点的索引
    Node<E> next;
    //节点构造器
    Node(E x) { 
     item = x;
   }
 }

LinkedBlockingQueue的节点符合单向链表的数据结构要求：

  • 一个成员变量为当前节点的元素值
  • 一个成员变量是下一节点的索引
  • 构造方法的唯一参数节点元素值。

Node节点图

item表示当前节点的元素值，next表示指向下一节点的指针

LinkedBlockingQueue常用操作

offer操作

入队方法，其实就是向队列的尾部插入一个元素。如果元素为空，抛出空指针异常。如果队列已满，则丢弃当前元素，返回false，它是非阻塞的。如果队列空闲则插入成功返回true。

offer源代码

offer方法源码如下：

   public boolean offer(E e) {
        //为空直接抛空指针
        if (e == null) throw new NullPointerException();
        final AtomicInteger count = this.count;
        //如果当前队列满了的话，直接返回false
        if (count.get() == capacity)
            return false;
        int c = -1;
        //构造新节点
        Node<E> node = new Node<E>(e);
        获取put独占锁
        final ReentrantLock putLock = this.putLock;
        putLock.lock();
        try {
            //判断队列是否已满
            if (count.get() < capacity) {
                //进队列
                enqueue(node);
                //递增元素计数
                c = count.getAndIncrement();
                //如果元素入队，还有空闲，则唤醒notFull条件队列里被阻塞的线程
                if (c + 1 < capacity)
                    notFull.signal();
            }
        } finally {
            //释放锁
            putLock.unlock();
        }
        //如果容量为0，则
        if (c == 0)
            //激活 notEmpty 的条件队列，唤醒被阻塞的线程
            signalNotEmpty();
        return c >= 0;
    }

enqueue方法源码如下：

private void enqueue(Node<E> node) {
 //从尾节点加进去
 last = last.next = node;
 }

为了形象生动，我们用一张图来看看往队列里依次放入元素A和元素B。图片参考来源【细谈Java并发】谈谈LinkedBlockingQueue

signalNotEmpty方法源码如下

private void signalNotEmpty() {
    //获取take独占锁
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    takeLock.lock();
    try {
       //唤醒notEmpty条件队列里被阻塞的线程
       notEmpty.signal();
     } finally {
       //释放锁
       takeLock.unlock();
        }
    }

offer执行流程图

基本流程：

  • 判断元素是否为空，如果是，就抛出空指针异常。
  • 判读队列是否已满，如果是，添加失败，返回false。
  • 如果队列没满，构造Node节点，上锁。
  • 判断队列是否已满，如果队列没满，Node节点在队尾加入队列待。
  • 加入队列后，判断队列是否还有空闲，如果是，唤醒notFull的阻塞线程。
  • 释放完锁后，判断容量是否为空，如果是，唤醒notEmpty的阻塞线程。

put操作

put方法也是向队列尾部插入一个元素。如果元素为null，抛出空指针异常。如果队列己满则阻塞当前线程，直到队列有空闲插入成功为止。如果队列空闲则插入成功，直接返回。如果在阻塞时被其他线程设置了中断标志， 则被阻塞线程会抛出 InterruptedException 异常而返回。

put源代码

  public void put(E e) throws InterruptedException {
        ////为空直接抛空指针异常
        if (e == null) throw new NullPointerException();
        int c = -1;
        // 构造新节点
        Node<E> node = new Node<E>(e);
        //获取putLock独占锁
        final ReentrantLock putLock = this.putLock;
        final AtomicInteger count = this.count;
        //获取独占锁,它跟lock的区别，是可以被中断
        putLock.lockInterruptibly();
        try {
            //队列已满线程挂起等待
            while (count.get() == capacity) {
                notFull.await();
            }
            //进队列
            enqueue(node);
            //递增元素计数
            c = count.getAndIncrement();
            //如果元素入队，还有空闲，则唤醒notFull条件队列里被阻塞的线程
            if (c + 1 < capacity)
                notFull.signal();
        } finally {
            //释放锁
            putLock.unlock();
        }
        //如果容量为0，则
        if (c == 0)
            //激活 notEmpty 的条件队列，唤醒被阻塞的线程
            signalNotEmpty();
    }

put流程图

基本流程：

  • 判断元素是否为空，如果是就抛出空指针异常。
  • 构造Node节点，上锁（可中断锁）
  • 判断队列是否已满，如果是，阻塞当前线程，一直等待。
  • 如果队列没满，Node节点在队尾加入队列。
  • 加入队列后，判断队列是否还有空闲，如果是，唤醒notFull的阻塞线程。
  • 释放完锁后，判断容量是否为空，如果是，唤醒notEmpty的阻塞线程。

poll操作

从队列头部获取并移除一个元素， 如果队列为空则返回 null， 该方法是不阻塞的。

poll源代码

poll方法源代码

 public E poll() {
        final AtomicInteger count = this.count;
        //如果队列为空，返回null
        if (count.get() == 0)
            return null;
        E x = null;
        int c = -1;
        //获取takeLock独占锁
        final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
        takeLock.lock();
        try {
            //如果队列不为空，则出队，并递减计数
            if (count.get() > 0) {
                x = dequeue();
                c = count.getAndDecrement();
                ////容量大于1，则激活 notEmpty 的条件队列，唤醒被阻塞的线程
                if (c > 1)
                    notEmpty.signal();
            }
        } finally {
           //释放锁
            takeLock.unlock();
        }
        if (c == capacity)
            //唤醒notFull条件队列里被阻塞的线程
            signalNotFull();
        return x;
    }

dequeue方法源代码

  //出队列
  private E dequeue() {
        //获取head节点
        Node<E> h = head;
        //获取到head节点指向的下一个节点
        Node<E> first = h.next;
        //head节点原来指向的节点的next指向自己，等待下次gc回收
        h.next = h; // help GC
        // head节点指向新的节点
        head = first;
        // 获取到新的head节点的item值
        E x = first.item;
        // 新head节点的item值设置为null
        first.item = null;
        return x;
    }

为了形象生动，我们用一张图来描述出队过程。图片参考来源【细谈Java并发】谈谈LinkedBlockingQueue

signalNotFull方法源码

 private void signalNotFull() {
        //获取put独占锁
        final ReentrantLock putLock = this.putLock;
        putLock.lock();
        try {
            ////唤醒notFull条件队列里被阻塞的线程
            notFull.signal();
        } finally {
            //释放锁
            putLock.unlock();
        }
    }

poll流程图

基本流程：

  • 判断元素是否为空，如果是，就返回null。
  • 加锁
  • 判断队列是否有元素，如果没有，释放锁
  • 如果队列有元素，则出队列，获取数据，容量计数器减一。
  • 判断此时容量是否大于1，如果是，唤醒notEmpty的阻塞线程。
  • 释放完锁后，判断容量是否满，如果是，唤醒notFull的阻塞线程。

peek操作

获取队列头部元素但是不从队列里面移除它，如果队列为空则返回 null。 该方法是不 阻塞的。

peek源代码

  public E peek() {
        //队列容量为0，返回null
        if (count.get() == 0)
            return null;
        //获取takeLock独占锁
        final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
        takeLock.lock();
        try {
            Node<E> first = head.next;
            //判断first是否为null，如果是直接返回
            if (first == null)
                return null;
            else
                return first.item;
        } finally {
            //释放锁
            takeLock.unlock();
        }
    }

peek流程图

基本流程：

  • 判断队列容量大小是否为0，如果是，就返回null。
  • 加锁
  • 获取队列头部节点first
  • 判断节点first是否为null，是的话，返回null。
  • 如果fist不为null，返回节点first的元素。
  • 释放锁。

take操作

获取当前队列头部元素并从队列里面移除它。 如果队列为空则阻塞当前线程直到队列 不为空然后返回元素，如果在阻塞时被其他线程设置了中断标志， 则被阻塞线程会抛出 InterruptedException 异常而返回。

take源代码

 public E take() throws InterruptedException {
        E x;
        int c = -1;
        final AtomicInteger count = this.count;
        //获取takeLock独占锁
        final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
        //获取独占锁,它跟lock的区别，是可以被中断
        takeLock.lockInterruptibly();
        try {
            //当前队列为空,则阻塞挂起
            while (count.get() == 0) {
                notEmpty.await();
            }
            //）出队并递减计数
            x = dequeue();
            c = count.getAndDecrement();
            if (c > 1)
               //激活 notEmpty 的条件队列，唤醒被阻塞的线程
                notEmpty.signal();
        } finally {
            //释放锁
            takeLock.unlock();
        }
        if (c == capacity)
            //激活 notFull 的条件队列，唤醒被阻塞的线程
            signalNotFull();
        return x;
    }

take流程图

基本流程：

  • 加锁
  • 判断队列容量大小是否为0，如果是，阻塞当前线程，直到队列不为空。
  • 如果队列容量大小大于0，节点出队列，获取元素x，计数器减一。
  • 判断队列容量大小是否大于1，如果是，唤醒notEmpty的阻塞线程。
  • 释放锁。
  • 判断队列容量是否已满，如果是，唤醒notFull的阻塞线程。
  • 返回出队元素x

remove操作

删除队列里面指定的元素，有则删除并返回 true，没有则返回 false。

remove方法源代码

 public boolean remove(Object o) {
         //为空直接返回false
        if (o == null) return false;
        //双重加锁
        fullyLock();
        try {
            //边历队列，找到元素则删除并返回true
            for (Node<E> trail = head, p = trail.next;
                 p != null;
                 trail = p, p = p.next) {
                if (o.equals(p.item)) {
                    //执行unlink操作
                    unlink(p, trail);
                    return true;
                }
            }
            return false;
        } finally {
            //解锁
            fullyUnlock();
        }
    }

双重加锁，fullyLock方法源代码

void fullyLock() {
        //putLock独占锁加锁
        putLock.lock();
        //takeLock独占锁加锁
        takeLock.lock();
    }

unlink方法源代码

  void unlink(Node<E> p, Node<E> trail) {
        p.item = null;
        trail.next = p.next;
        if (last == p)
            last = trail;
        //如果当前队列满 ，则删除后，也不忘记唤醒等待的线程 
        if (count.getAndDecrement() == capacity)
            notFull.signal();
    }

fullyUnlock方法源代码

  void fullyUnlock() {
        //与双重加锁顺序相反，先解takeLock独占锁
        takeLock.unlock();
        putLock.unlock();
    }

remove流程图

基本流程

  • 判断要删除的元素是否为空，是就返回false。
  • 如果要删除的元素不为空，加双重锁
  • 遍历队列，找到要删除的元素，如果找不到，返回false。
  • 如果找到，删除该节点，返回true。
  • 释放锁

size操作

获取当前队列元素个数。

 public int size() {
        return count.get();
    }

由于进行出队、入队操作时的 count是加了锁的，所以结果相比ConcurrentLinkedQueue 的 size 方法比较准确。

总结

  • LinkedBlockingQueue底层通过单向链表实现。
  • 它有头尾两个节点，入队操作是从尾节点添加元素，出队操作是对头节点进行操作。
  • 它的容量是原子变量count，保证szie获取的准确性。
  • 它有两把独占锁，保证了队列操作原子性。
  • 它的两把锁都配备了一个条件队列，用来存放阻塞线程，结合入队、出队操作实现了一个生产消费模型。

Java并发编程之美中，有一张图惟妙惟肖描述了它，如下图：

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