原创

Java多线程进阶(三三)—— J.U.C之collections框架:LinkedBlockingQueue

一、LinkedBlockingQueue简介

LinkedBlockingQueue是在JDK1.5时,随着J.U.C包引入的一种阻塞队列,它实现了BlockingQueue接口,底层基于单链表实现:

img

LinkedBlockingQueue是一种近似有界阻塞队列,为什么说近似?因为LinkedBlockingQueue既可以在初始构造时就指定队列的容量,也可以不指定,如果不指定,那么它的容量大小默认为Integer.MAX_VALUE

LinkedBlockingQueue除了底层数据结构(单链表)与ArrayBlockingQueue不同外,另外一个特点就是:
它维护了两把锁——takeLockputLock

takeLock用于控制出队的并发,putLock用于入队的并发。这也就意味着,同一时刻,只能只有一个线程能执行入队/出队操作,其余入队/出队线程会被阻塞;但是,入队和出队之间可以并发执行,即同一时刻,可以同时有一个线程进行入队,另一个线程进行出队,这样就可以提升吞吐量。

在ArrayBlockingQueue章节中,我们说过,ArrayBlockingQueue维护了一把全局锁,无论是出队还是入队,都共用这把锁,这就导致任一时间点只有一个线程能够执行。那么对于“生产者-消费者”模式来说,意味着生产者和消费者不能并发执行。

二、LinkedBlockingQueue原理

2.1 构造

LinkedBlockingQueue提供了三种构造器:

/**
 * 默认构造器.
 * 队列容量为Integer.MAX_VALUE.
 */
public LinkedBlockingQueue() {
    this(Integer.MAX_VALUE);
}
/**
 * 显示指定队列容量的构造器
 */
public LinkedBlockingQueue(int capacity) {
    if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
    this.capacity = capacity;
    last = head = new Node<E>(null);
}
/**
 * 从已有集合构造队列.
 * 队列容量为Integer.MAX_VALUE
 */
public LinkedBlockingQueue(Collection<? extends E> c) {
    this(Integer.MAX_VALUE);
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    putLock.lock();                     // 这里加锁仅仅是为了保证可见性
    try {
        int n = 0;
        for (E e : c) {
            if (e == null)              // 队列不能包含null元素
                throw new NullPointerException();
            if (n == capacity)          // 队列已满
                throw new IllegalStateException("Queue full");
            enqueue(new Node<E>(e));    // 队尾插入元素
            ++n;
        }
        count.set(n);                   // 设置元素个数
    } finally {
        putLock.unlock();
    }
}

可以看到,如果不指定容量,那么它的容量大小默认为Integer.MAX_VALUE。另外,LinkedBlockingQueue使用了一个原子变量AtomicInteger记录队列中元素的个数,以保证入队/出队并发修改元素时的数据一致性。

public class LinkedBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
    implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {

    /**
     * 队列容量.
     * 如果不指定, 则为Integer.MAX_VALUE
     */
    private final int capacity;

    /**
     * 队列中的元素个数
     */
    private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();

    /**
     * 队首指针.
     * head.item == null
     */
    transient Node<E> head;

    /**
     * 队尾指针.
     * last.next == null
     */
    private transient Node<E> last;

    /**
     * 出队锁
     */
    private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();

    /**
     * 队列空时,出队线程在该条件队列等待
     */
    private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();

    /**
     * 入队锁
     */
    private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();

    /**
     * 队列满时,入队线程在该条件队列等待
     */
    private final Condition notFull = putLock.newCondition();

    /**
     * 链表结点定义
     */
    static class Node<E> {
        E item;

        Node<E> next;   // 后驱指针

        Node(E x) {
            item = x;
        }
    }

    //...
}

构造完成后,LinkedBlockingQueue的初始结构如下:

img

插入部分元素后的LinkedBlockingQueue结构:

img

2.2 核心方法

由于接口和ArrayBlockingQueue完全一样,所以LinkedBlockingQueue会阻塞线程的方法也一共有4个:put(E e)offer(e, time, unit)take()poll(time, unit),我们先来看插入元素的方法。

插入元素——put(E e)

/**
 * 在队尾插入指定的元素.
 * 如果队列已满,则阻塞线程.
 */
public void put(E e) throws InterruptedException {
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    int c = -1;
    Node<E> node = new Node<E>(e);
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    final AtomicInteger count = this.count;
    putLock.lockInterruptibly();            // 获取“入队锁”
    try {
        while (count.get() == capacity) {   // 队列已满, 则线程在notFull上等待
            notFull.await();
        }
        enqueue(node);                      // 将新结点链接到“队尾”

        /**
         * c+1 表示的元素个数.
         * 如果,则唤醒一个“入队线程”
         */
        c = count.getAndIncrement();        // c表示入队前的队列元素个数
        if (c + 1 < capacity)               // 入队后队列未满, 则唤醒一个“入队线程”
            notFull.signal();
    } finally {
        putLock.unlock();
    }

    if (c == 0)                             // 队列初始为空, 则唤醒一个“出队线程”
        signalNotEmpty();
}

插入元素时,首先需要获得“入队锁”,如果队列满了,则当前线程需要在notFull条件队列等待;否则,将新元素链接到队列尾部。

这里需要注意的是两个地方:

①每入队一个元素后,如果队列还没满,则需要唤醒其它可能正在等待的“入队线程”:

/**
 * c+1 表示的元素个数.
 * 如果,则唤醒一个“入队线程”
 */
c = count.getAndIncrement();        // c表示入队前的队列元素个数
if (c + 1 < capacity)               // 入队后队列未满, 则唤醒一个“入队线程”
    notFull.signal();

② 每入队一个元素,都要判断下队列是否空了,如果空了,说明可能存在正在等待的“出队线程”,需要唤醒它:

if (c == 0)                             // 队列为空, 则唤醒一个“出队线程”
    signalNotEmpty();

这里为什么不像ArrayBlockingQueue那样,入队完成后,直接唤醒一个在notEmpty上等待的出队线程?

因为ArrayBlockingQueue中,入队/出队用的是同一把锁,两者不会并发执行,所以每入队一个元素(拿到锁),就可以通知可能正在等待的“出队线程”。(同一个锁的两个条件队列:notEmptynotFull

ArrayBlockingQueue中的enqueue方法:

private void enqueue(E x) {
    final Object[] items = this.items;
    items[putIndex] = x;
    if (++putIndex == items.length)     // 队列已满,则重置索引为0
        putIndex = 0;
    count++;                            // 元素个数+1
    notEmpty.signal();                  // 唤醒一个notEmpty上的等待线程(可以来队列取元素了)
}

而LinkedBlockingQueue中,入队/出队用的是两把锁,入队/出队是会并发执行的。入队锁对应的是notFull条件队列,出队锁对应的是notEmpty条件队列,所以每入队一个元素,应当立即去唤醒可能阻塞的其它入队线程。当队列为空时,说明后面再来“出队线程”,一定都会阻塞,所以此时可以去唤醒一个出队线程,以提升性能。

试想以下,如果去掉上面的①和②,当入队线程拿到“入队锁”,入队元素后,直接尝试唤醒出队线程,会要求去拿出队锁,这样持有锁A的同时,再去尝试获取锁B,很可能引起死锁,就算通过打破死锁的条件避免死锁,每次操作同时获取两把锁也会降低性能。


删除元素——table()

删除元素的逻辑和插入元素类似。删除元素时,首先需要获得“出队锁”,如果队列为空,则当前线程需要在notEmpty条件队列等待;否则,从队首出队一个元素:

/**
 * 从队首出队一个元素
 */
public E take() throws InterruptedException {
    E x;
    int c = -1;
    final AtomicInteger count = this.count;
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;   // 获取“出队锁”
    takeLock.lockInterruptibly();
    try {
        while (count.get() == 0) {                  // 队列为空, 则阻塞线程
            notEmpty.await();
        }
        x = dequeue();
        c = count.getAndDecrement();                // c表示出队前的元素个数
        if (c > 1)                                  // 出队前队列非空, 则唤醒一个出队线程
            notEmpty.signal();
    } finally {
        takeLock.unlock();
    }
    if (c == capacity)                              // 队列初始为满,则唤醒一个入队线程
        signalNotFull();
    return x;
}
/**
 * 队首出队一个元素.
 */
private E dequeue() {
    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;
}

上面需要的注意点和插入元素一样:
①每出队一个元素前,如果队列非空,则需要唤醒其它可能正在等待的“出队线程”:

c = count.getAndDecrement();                // c表示出队前的元素个数
if (c > 1)                                  // 出队前队列非空, 则唤醒一个出队线程
    notEmpty.signal();

② 每入队一个元素,都要判断下队列是否满,如果是满的,说明可能存在正在等待的“入队线程”,需要唤醒它:

if (c == capacity)                              // 队列初始为满,则唤醒一个入队线程
    signalNotFull();

三、总结

归纳一下,LinkedBlockingQueueArrayBlockingQueue比较主要有以下区别:

  1. 队列大小不同。ArrayBlockingQueue初始构造时必须指定大小,而LinkedBlockingQueue构造时既可以指定大小,也可以不指定(默认为Integer.MAX_VALUE,近似于无界);
  2. 底层数据结构不同。ArrayBlockingQueue底层采用数组作为数据存储容器,而LinkedBlockingQueue底层采用单链表作为数据存储容器;
  3. 两者的加锁机制不同。ArrayBlockingQueue使用一把全局锁,即入队和出队使用同一个ReentrantLock锁;而LinkedBlockingQueue进行了锁分离,入队使用一个ReentrantLock锁(putLock),出队使用另一个ReentrantLock锁(takeLock);
  4. LinkedBlockingQueue不能指定公平/非公平策略(默认都是非公平),而ArrayBlockingQueue可以指定策略。
正文到此结束
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