什么是阻塞隊(duì)列

當(dāng)隊(duì)列中為空時(shí)，從隊(duì)列總獲取元素的操作將被阻塞，當(dāng)隊(duì)列滿時(shí)，向隊(duì)列中添加元素的操作將被阻塞。試圖從空的阻塞隊(duì)列中獲取元素的線程將會(huì)被阻塞，知道其它的線程往隊(duì)列中插入新的元素。同樣，試圖往滿的隊(duì)列中添加新元素的線程也會(huì)被阻塞，直到有其他的線程使隊(duì)列重新變的空閑起來(lái)。

處理方式拋出異常返回特殊值一直阻塞超時(shí)退出

插入方法	add(e)	offer(e)	put()	offer(e, time, unit)
移除方法	remove()	poll(e)	take()	poll(time, unit)
檢查方法	element()	peek()	無(wú)	無(wú)

• 拋出異常：當(dāng)隊(duì)列滿時(shí)，再向隊(duì)列中插入元素，則會(huì)拋出IllegalStateException異常。當(dāng)隊(duì)列空時(shí)，再向隊(duì)列中獲取元素，則會(huì)拋出NoSuchElementException異常。
• 返回特殊值：當(dāng)隊(duì)列滿時(shí)，向隊(duì)列中添加元素，則返回false，否則返回true。當(dāng)隊(duì)列為空時(shí)，向隊(duì)列中獲取元素，則返回null，否則返回元素。
• 一直阻塞：當(dāng)阻塞隊(duì)列滿時(shí)，如果生產(chǎn)者向隊(duì)列中插入元素，則隊(duì)列會(huì)一直阻塞當(dāng)前線程，直到隊(duì)列可用或響應(yīng)中斷退出。當(dāng)阻塞隊(duì)列為空時(shí)，如果消費(fèi)者線程向阻塞隊(duì)列中獲取數(shù)據(jù)，則隊(duì)列會(huì)一直阻塞當(dāng)前線程，直到隊(duì)列空閑或響應(yīng)中斷退出。
• 超時(shí)退出：當(dāng)隊(duì)列滿時(shí)，如果生產(chǎn)線程向隊(duì)列中添加元素，則隊(duì)列會(huì)阻塞生產(chǎn)線程一段時(shí)間，超過(guò)指定的時(shí)間則退出返回false。當(dāng)隊(duì)列為空時(shí)，消費(fèi)線程從隊(duì)列中移除元素，則隊(duì)列會(huì)阻塞一段時(shí)間，如果超過(guò)指定時(shí)間退出返回null。

java里的阻塞隊(duì)列

ArrayBlockingQueue: 一個(gè)由數(shù)組結(jié)構(gòu)組成的有界隊(duì)列。此隊(duì)列按照先進(jìn)先出的順序進(jìn)行排序。支持公平鎖和非公平鎖。

LinkedBlockingQueue：一個(gè)由鏈表結(jié)構(gòu)組成的有界隊(duì)列，此隊(duì)列的長(zhǎng)度為Integer.MAX_VALUE。此隊(duì)列按照先進(jìn)先出的順序進(jìn)行排序。

PriorityBlockingQueue： 一個(gè)支持線程優(yōu)先級(jí)排序的無(wú)界隊(duì)列，默認(rèn)自然序進(jìn)行排序，也可以自定義實(shí)現(xiàn)compareTo()方法來(lái)指定元素排序規(guī)則，不能保證同優(yōu)先級(jí)元素的順序。

DelayQueue： 一個(gè)實(shí)現(xiàn)PriorityBlockingQueue實(shí)現(xiàn)延遲獲取的無(wú)界隊(duì)列，在創(chuàng)建元素時(shí)，可以指定多久才能從隊(duì)列中獲取當(dāng)前元素。只有延時(shí)期滿后才能從隊(duì)列中獲取元素。

SynchronousQueue： 一個(gè)不存儲(chǔ)元素的阻塞隊(duì)列，每一個(gè)put操作必須等待take操作，否則不能添加元素。支持公平鎖和非公平鎖。

LinkedTransferQueue： 一個(gè)由鏈表結(jié)構(gòu)組成的無(wú)界阻塞隊(duì)列，相當(dāng)于其它隊(duì)列，LinkedTransferQueue隊(duì)列多了transfer和tryTransfer方法。

• transfer：如果當(dāng)前有消費(fèi)線程正在獲取元素，transfer則把元素直接傳給消費(fèi)線程，否則加入到隊(duì)列中，知道該元素被消費(fèi)才返回。
• tryTransfer：如果當(dāng)前有消費(fèi)這正在獲取元素，tryTransfer則把元素直接傳給消費(fèi)線程，否則立即返回false；

LinkedBlockingQueue： 一個(gè)由鏈表結(jié)構(gòu)組成的雙向阻塞隊(duì)列。隊(duì)列頭部和尾部都可以添加和移除元素，多線程并發(fā)時(shí)，可以將鎖的競(jìng)爭(zhēng)最多降到一半。

ArrayBlockingQueue 的源碼解析

ArrayBlockingQueue類的結(jié)構(gòu)如下：

public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {private static final long serialVersionUID = -817911632652898426L;final Object[] items; //用數(shù)據(jù)來(lái)存儲(chǔ)元素的容器int takeIndex; //下一次讀取或移除的位置（remove、poll、take ）int putIndex; //下一次存放元素的位置（add、offer、put）int count; //隊(duì)列中元素的總數(shù)final ReentrantLock lock; //所有訪問(wèn)的保護(hù)鎖private final Condition notEmpty; //等待獲取元素的條件private final Condition notFull; //等待存放元素的條件略...

可以看出ArrayBlockingQueue內(nèi)部使用final修飾的對(duì)象數(shù)組來(lái)存儲(chǔ)元素，一旦初始化數(shù)組，數(shù)組的大小就不可改變。使用ReentrantLock鎖來(lái)保證鎖競(jìng)爭(zhēng)，使用Condition來(lái)控制插入或獲取元素時(shí)，線程是否阻塞。

public void put(E e) throws InterruptedException {checkNotNull(e);final ReentrantLock lock = this.lock;//獲得支持響應(yīng)中斷的鎖lock.lockInterruptibly();try {//使用while循環(huán)來(lái)判斷隊(duì)列是否已滿，防止假喚醒while (count == items.length)notFull.await();enqueue(e);} finally {lock.unlock();}}

首先獲得鎖，然后判斷隊(duì)列是否已滿，如果已滿則阻塞當(dāng)前生成線程，直到隊(duì)列中空閑時(shí)，被喚醒操作。隊(duì)列空閑則調(diào)用enqueue 插入元素。

private void enqueue(E x) {// assert lock.getHoldCount() == 1;// assert items[putIndex] == null;final Object[] items = this.items;//把當(dāng)前元素插入到數(shù)組中去items[putIndex] = x;//這里可以看出這個(gè)數(shù)組是個(gè)環(huán)形數(shù)組if (++putIndex == items.length)putIndex = 0;count++;// 喚醒在notEmpty條件上等待的線程 notEmpty.signal();}

把元素插入到隊(duì)列中去，可以看出這個(gè)隊(duì)列中的數(shù)組是環(huán)形數(shù)組結(jié)構(gòu)，這樣每次插入、移除的時(shí)候不需要復(fù)制移動(dòng)數(shù)組中的元素。

public E take() throws InterruptedException {final ReentrantLock lock = this.lock;//獲得可響應(yīng)中斷鎖lock.lockInterruptibly();try {//使用while循環(huán)來(lái)判斷隊(duì)列是否已滿，防止假喚醒while (count == 0)notEmpty.await();return dequeue();} finally {lock.unlock();}}

消費(fèi)者線程從阻塞隊(duì)列中獲取元素，如果隊(duì)列中元素為空，則阻塞當(dāng)前的消費(fèi)者線程直到有數(shù)據(jù)時(shí)才調(diào)用dequeue方法獲取元素。否則直接調(diào)用dequeue方法獲取元素

private E dequeue() {// assert lock.getHoldCount() == 1;// assert items[takeIndex] != null;final Object[] items = this.items;@SuppressWarnings("unchecked")//獲取元素E x = (E) items[takeIndex];//將當(dāng)前位置的元素設(shè)置為nullitems[takeIndex] = null;//這里可以看出這個(gè)數(shù)組是個(gè)環(huán)形數(shù)組if (++takeIndex == items.length)takeIndex = 0;count--;if (itrs != null)//修改迭代器參數(shù)itrs.elementDequeued();// 喚醒在notFull條件上等待的線程 notFull.signal();return x;}

直接從數(shù)據(jù)中獲取items[takeIndex]的元素，并設(shè)置當(dāng)前位置的元素為null，并設(shè)置下一次takeIndex的坐標(biāo)（++takeIndex），隊(duì)列元素總數(shù)-1等操作。

public boolean offer(E e) {checkNotNull(e);final ReentrantLock lock = this.lock;//獲得不可響應(yīng)中斷的鎖lock.lock();try {if (count == items.length)return false;else {//enqueue(e);return true;}} finally {lock.unlock();}}

首先判斷隊(duì)列中的元素是否已滿，如果已滿則直接返回false，否則調(diào)用enqueue方法向隊(duì)列中插入元素，插入成功返回true。

public E poll() {final ReentrantLock lock = this.lock;//獲得不可響應(yīng)中斷的鎖lock.lock();try {return (count == 0) ? null : dequeue();} finally {lock.unlock();}}

判斷隊(duì)列是否為空，如果為空返回null，否則調(diào)用dequeue方法返回元素。

public boolean add(E e) {if (offer(e))return true;elsethrow new IllegalStateException("Queue full");}

首先調(diào)用offer方法插入元素，插入成功返回true，否則拋出IllegalStateException異常。

public E remove() {E x = poll();if (x != null)return x;elsethrow new NoSuchElementException();}

首先調(diào)用poll方法獲取元素，如果不為空則直接返回，否則拋出NoSuchElementException異常。

public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException {checkNotNull(e);//得到超時(shí)的時(shí)間long nanos = unit.toNanos(timeout);final ReentrantLock lock = this.lock;//獲得可響應(yīng)中斷的鎖lock.lockInterruptibly();try {while (count == items.length) {if (nanos <= 0)return false;nanos = notFull.awaitNanos(nanos);}enqueue(e);return true;} finally {lock.unlock();}}

首先判斷隊(duì)列是否已滿，如果已滿再循環(huán)判斷超時(shí)時(shí)間是否超時(shí)，超時(shí)則直接返回false，否則阻塞該生產(chǎn)線程nanos時(shí)間，如果nanos時(shí)間之內(nèi)喚醒則調(diào)用enqueue方法插入元素。如果隊(duì)列不滿則直接調(diào)用enqueue方法插入元素，并返回true。

public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {//得到超時(shí)的時(shí)間long nanos = unit.toNanos(timeout);final ReentrantLock lock = this.lock;//獲得可響應(yīng)中斷的鎖lock.lockInterruptibly();try {while (count == 0) {if (nanos <= 0)return null;nanos = notEmpty.awaitNanos(nanos);}return dequeue();} finally {lock.unlock();}}

首先循環(huán)判斷隊(duì)列是否為空，如果為空再判斷是否超時(shí)，超時(shí)則返回null。不超時(shí)則等待，在nanos時(shí)間喚醒則調(diào)用dequeue方法獲取元素。

public E element() {E x = peek();if (x != null)return x;elsethrow new NoSuchElementException();}

調(diào)用peek方法獲取元素，元素不為空則返回，否則拋出NoSuchElementException異常。

public E peek() {final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lock();try {return itemAt(takeIndex); // null when queue is empty} finally {lock.unlock();}}final E itemAt(int i) {return (E) items[i];}

調(diào)用itemAt方法獲取元素。

其它的阻塞隊(duì)列實(shí)現(xiàn)原理都類似，都是使用ReentrantLock和Condition來(lái)完成并發(fā)控制、阻塞的。

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總結(jié)

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