并发包阻塞队列之ArrayBlockingQueue
jdk1.7.0_79
上一节中对并发包中的非阻塞队列ConcurrentLinkedQueue的入队、出队做了一个简要的分析，本文将对并发包中的阻塞队列做一个简要分析。
Java并发包中的阻塞队列一共7个，当然他们都是线程安全的。
ArrayBlockingQueue：一个由数组结构组成的有界阻塞队列。
LinkedBlockingQueue：一个由链表结构组成的有界阻塞队列。
PriorityBlockingQueue：一个支持优先级排序的无界阻塞队列。
DealyQueue：一个使用优先级队列实现的无界阻塞队列。
SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列。
LinkedTransferQueue：一个由链表结构组成的无界阻塞队列。
LinkedBlockingDeque：一个由链表结构组成的双向阻塞队列。（摘自《Java并发编程的艺术》）
在本文对ArrayBlockingQueue阻塞队列做一个简要解析
对于ArrayLinkedQueue，放眼看过去其安全性的保证是由ReentrantLock保证的，有关ReentrantLock的解析可参考《5.Lock接口及其实现ReentrantLock》，在下文我也会适当的提及。
首先来查看其构造函数：
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构造方法 |
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public ArrayBlockingQueue(int capacity) |
构造指定大小的有界队列 |
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public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) |
构造指定大小的有界队列，指定为公平或非公平锁 |
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public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair, Collection<? extends E> c)
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构造指定大小的有界队列，指定为公平或非公平锁，指定在初始化时加入一个集合 |
1 public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
2 this(capacity, false);//默认构造非公平锁的阻塞队列
3 }
4 public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
5 if (capacity <= 0)
6 throw new IllegalArgumentException();
7 this.items = new Object[capacity];
8 lock = new ReentrantLock(fair);//初始化ReentrantLock重入锁，出队入队拥有这同一个锁
9 notEmpty = lock.newCondition;//初始化非空等待队列，有关Condition可参考《6.类似Object监视器方法的Condition接口》
10 notFull = lock.newCondition;//初始化非满等待队列
11 }
12 public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair, Collecation<? extends E> c) {
13 this(capacity, fair);
14 final ReentrantLock lock = this.lock;
15 lock.lock();//注意在这个地方需要获得锁，这为什么需要获取锁的操作呢？
16 try {
17 int i = 0;
18 try {
19 for (E e : c) {
20 checkNotNull(e);
21 item[i++] = e;//将集合添加进数组构成的队列中
22 }
23 } catch (ArrayIndexOutOfBoundsException ex) {
24 throw new IllegalArgumentException();
25 }
26 count = i;//队列中的实际数据数量
27 putIndex = (i == capacity) ? 0 : i;
28 } finally {
29 lock.unlock();
30 }
31 }
在第15行，源码里给了一句注释： Lock only for visibility, not mutual exclusion。这句话的意思就是给出，这个锁的操作并不是为了互斥操作，而是保证其可见性。线程T1是实例化ArrayBlockingQueue对象，T2是对实例化的ArrayBlockingQueue对象做入队操作（当然要保证T1和T2的执行顺序），如果不对它进行加锁操作（加锁会保证其可见性，也就是写回主存），T1的集合c有可能只存在T1线程维护的缓存中，并没有写回主存，T2中实例化的ArrayBlockingQueue维护的缓存以及主存中并没有集合c，此时就因为可见性造成数据不一致的情况，引发线程安全问题。
以下是ArrayBlockingQueue的一些出队入队操作。
队列元素的插入
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抛出异常 |
返回值（非阻塞） |
一定时间内返回值 |
返回值（阻塞） |
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插入 |
add(e)//队列未满时，返回true；队列满则抛出IllegalStateException(“Queue full”)异常——AbstractQueue |
offer(e)//队列未满时，返回true；队列满时返回false。非阻塞立即返回。 |
offer(e, time, unit)//设定等待的时间，如果在指定时间内还不能往队列中插入数据则返回false，插入成功返回true。 |
put(e)//队列未满时，直接插入没有返回值；队列满时会阻塞等待，一直等到队列未满时再插入。 |
//ArrayBlockingQueue#add
public boolean add(E e) {
return super.add(e);
}
//AbstractQueue#add，这是一个模板方法，只定义add入队算法骨架，成功时返回true，失败时抛出IllegalStateException异常，具体offer实现交给子类实现。
public boolean add(E e) {
if (offer(e))//offer方法由Queue接口定义
return true;
else
throw new IllegalStateException();
}
//ArrayBlockingQueue#offer，队列未满时返回true，满时返回false
public boolean offer(E e) {
checkNotNull(e);//检查入队元素是否为空
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();//获得锁，线程安全
try {
if (count == items.length)//队列满时，不阻塞等待，直接返回false
return false;
else {
insert(e);//队列未满，直接插入
return true;
}
} finally {
lock.unlock();
}
}
//ArrayBlockingQueue#insert
private void insert(E e) {
items[putIndex] = x;
putIndex = inc(putIndex);
++count;
notEmpty.signal();//唤醒非空等待队列中的线程，有关Condition可参考《6.类似Object监视器方法的Condition接口》
}
在这里有几个ArrayBlockingQueue成员变量。items即队列的数组引用，putIndex表示等待插入的数组下标位置。当items[putIndex] = x将新元素插入队列中后，调用inc将数组下标向后移动，如果队列满则将putIndex置为0:
//ArrayBlockingQueue#inc
private int inc(int i) {
return (++i == items.length) ? 0 : i;
}
接着解析下put方法，阻塞插入队列，当队列满时不会返回false，也不会抛出异常，而是一直阻塞等待，直到有空位可插入，但它可被中断返回。
//ArrayBlockingQueue#put
public void put(E e) throws InterruptedException {
checkNotNull(e);//同样检查插入元素是否为空
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();//这里并没有调用lock方法，而是调用了可被中断的lockInterruptibly，该方法可被线程中断返回，lock不能被中断返回。
try {
while (count == items.length)
notFull.await();//当队列满时，使非满等待队列休眠
insert(e);//此时表示队列非满，故插入元素，同时在该方法里唤醒非空等待队列
} finally {
lock.unlock();
}
}
队列元素的删除
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抛出异常 |
返回值（非阻塞） |
一定时间内返回值 |
返回值（阻塞） |
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remove()//队列不为空时，返回队首值并移除；队列为空时抛出NoSuchElementException()异常——AbstractQueue |
poll()//队列不为空时返回队首值并移除；队列为空时返回null。非阻塞立即返回。 |
poll(time, unit)//设定等待的时间，如果在指定时间内队列还未孔则返回null，不为空则返回队首值 |
take(e)//队列不为空返回队首值并移除；当队列为空时会阻塞等待，一直等到队列不为空时再返回队首值。
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//AbstractQueue#remove，这也是一个模板方法，定义删除队列元素的算法骨架，队列中元素时返回具体元素，元素为空时抛出异常，具体实现poll由子类实现，
public E remove() {
E x = poll();//poll方法由Queue接口定义
if (x != null)
return x;
else
throw new NoSuchElementException();
}
//ArrayBlockingQueue#poll，队列中有元素时返回元素，不为空时返回null
public E poll() {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
return (count == 0) ? null : extract();
} finally {
lock.unlock();
}
}
//ArrayBlockingQueue#extract
private E extract() {
final Object[] items = this.items;
E x = this.<E>cast(items[takeIndex]);//移除队首元素
items[takeIndex] = null;//将队列数组中的第一个元素置为null，便于GC回收
takeIndex = inc(takeIndex);
--count;
notFull.signal();//唤醒非满等待队列线程
return x;
}
对比add和offer方法，理解了上两个方法后remove和poll实际不难理解，同理在理解了put阻塞插入队列后，对比take阻塞删除队列元素同样也很好理解。
//ArrayBlockQueue#take
public E take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock();
lock.lockInterrupted();//这里并没有调用lock方法，而是调用了可被中断的lockInterruptibly，该方法可被线程中断返回，lock不能被中断返回。
try {
while (count == 0)//队列元素为空
notEmpty.await();//非空等待队列休眠
return extract();//此时表示队列非空，故删除元素，同时在里唤醒非满等待队列
} finally {
lock.unlock();
}
}
最后一个方法size。
public int size() {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
return count;
} finally {
lock.unlock();
}
}
可以看到ArrayBlockingQueue队列的size方法，是直接返回的count变量，它不像ConcurrentLinkedQueue，ConcurrentLinkedQueue的size则是每次会遍历这个队列，故ArrayBlockingQueue的size方法比ConcurrentLinkedQueue的size方法效率高。而且ConcurrentLinkedQueue的size方法并没有加锁！也就是说很有可能其size并不准确，这在它的注释中说明了ConcurrentLinkedQueue的size并没有多大的用处。