第八章 ArrayBlockingQueue源码解析

注意：在阅读本文之前或在阅读的过程中，需要用到ReentrantLock，内容见《第五章 ReentrantLock源码解析1--获得非公平锁与公平锁lock()》《第六章 ReentrantLock源码解析2--释放锁unlock()》《第七章 ReentrantLock总结》

1、对于ArrayBlockingQueue需要掌握以下几点

• 创建
• 入队（添加元素）
• 出队（删除元素）

2、创建

• public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair)
• public ArrayBlockingQueue(int capacity)

使用方法：

• Queue<String> abq = new ArrayBlockingQueue<String>(2);
• Queue<String> abq = new ArrayBlockingQueue<String>(2,true);

通过使用方法，可以看出ArrayBlockingQueue支持ReentrantLock的公平锁模式与非公平锁模式，对于这两种模式，查看本文开头的文章即可。

源代码如下：

    private final E[] items;//底层数据结构
    private int takeIndex;//用来为下一个take/poll/remove的索引（出队）
    private int putIndex;//用来为下一个put/offer/add的索引（入队）
    private int count;//队列中元素的个数

    /*
     * Concurrency control uses the classic two-condition algorithm found in any
     * textbook.
     */

    /** Main lock guarding all access */
    private final ReentrantLock lock;//锁
    /** Condition for waiting takes */
    private final Condition notEmpty;//等待出队的条件
    /** Condition for waiting puts */
    private final Condition notFull;//等待入队的条件

    /**
     * 创造一个队列，指定队列容量，指定模式
     * @param fair
     * true：先来的线程先操作
     * false：顺序随机
     */
    public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
        if (capacity <= 0)
            throw new IllegalArgumentException();
        this.items = (E[]) new Object[capacity];//初始化类变量数组items
        lock = new ReentrantLock(fair);//初始化类变量锁lock
        notEmpty = lock.newCondition();//初始化类变量notEmpty Condition
        notFull = lock.newCondition();//初始化类变量notFull Condition
    }

    /**
     * 创造一个队列，指定队列容量，默认模式为非公平模式
     * @param capacity <1会抛异常
     */
    public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
        this(capacity, false);
    }

注意：

• ArrayBlockingQueue的组成：一个对象数组+1把锁ReentrantLock+2个条件Condition
• 在查看源码的过程中，也要模仿带条件锁的使用，这个双条件锁模式是很经典的模式

3、入队

3.1、public boolean offer(E e)

原理：

• 在队尾插入一个元素， 如果队列没满，立即返回true； 如果队列满了，立即返回false

使用方法：

• abq.offer("hello1");

源代码：

    /**
     * 在队尾插入一个元素，
     * 如果队列没满，立即返回true；
     * 如果队列满了，立即返回false
     * 注意：该方法通常优于add(),因为add()失败直接抛异常
     */
    public boolean offer(E e) {
        if (e == null)
            throw new NullPointerException();
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            if (count == items.length)//数组满了
                return false;
            else {//数组没满
                insert(e);//插入一个元素
                return true;
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    private void insert(E x) {
        items[putIndex] = x;//插入元素
        putIndex = inc(putIndex);//putIndex+1
        ++count;//元素数量+1
        /**
         * 唤醒一个线程
         * 如果有任意一个线程正在等待这个条件，那么选中其中的一个区唤醒。
         * 在从等待状态被唤醒之前，被选中的线程必须重新获得锁
         */
        notEmpty.signal();
    }

    /**
     * i+1,数组下标+1
     */
    final int inc(int i) {
        return (++i == items.length) ? 0 : i;
    }

代码非常简单，流程看注释即可，只有一点注意点：

• 在插入元素结束后，唤醒等待notEmpty条件（即获取元素）的线程，可以发现这类似于生产者-消费者模式

3.2、public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException

原理：

• 在队尾插入一个元素,，如果数组已满，则进入等待，直到出现以下三种情况：
  • 被唤醒
  • 等待时间超时
  • 当前线程被中断

使用方法：

        try {
            abq.offer("hello2",1000,TimeUnit.MILLISECONDS);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

源代码：

    /**
     * 在队尾插入一个元素,
     * 如果数组已满，则进入等待，直到出现以下三种情况：
     * 1、被唤醒
     * 2、等待时间超时
     * 3、当前线程被中断
     */
    public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
            throws InterruptedException {

        if (e == null)
            throw new NullPointerException();
        long nanos = unit.toNanos(timeout);//将超时时间转换为纳秒
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        /*
         * lockInterruptibly():
         * 1、 在当前线程没有被中断的情况下获取锁。
         * 2、如果获取成功，方法结束。
         * 3、如果锁无法获取，当前线程被阻塞，直到下面情况发生：
         * 1）当前线程(被唤醒后)成功获取锁
         * 2）当前线程被其他线程中断
         * 
         * lock()
         * 获取锁，如果锁无法获取，当前线程被阻塞，直到锁可以获取并获取成功为止。
         */
        lock.lockInterruptibly();//加可中断的锁
        try {
            for (;;) {
                if (count != items.length) {//队列未满
                    insert(e);
                    return true;
                }
                if (nanos <= 0)//已超时
                    return false;
                try {
                    /*
                     * 进行等待：
                     * 在这个过程中可能发生三件事：
                     * 1、被唤醒-->继续当前这个for(;;)循环
                     * 2、超时-->继续当前这个for(;;)循环
                     * 3、被中断-->之后直接执行catch部分的代码
                     */
                    nanos = notFull.awaitNanos(nanos);//进行等待（在此过程中，时间会流失,在此过程中，线程也可能被唤醒）
                } catch (InterruptedException ie) {//在等待的过程中线程被中断
                    notFull.signal(); // 唤醒其他未被中断的线程
                    throw ie;
                }
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

注意：

• awaitNanos(nanos)是AQS中的一个方法，这里就不详细说了，有兴趣的自己去查看AQS的源代码。
• lockInterruptibly()与lock()的区别见注释

3.3、public void put(E e) throws InterruptedException

原理：

• 在队尾插入一个元素，如果队列满了，一直阻塞，直到数组不满了或者线程被中断

使用方法：

        try {
            abq.put("hello1");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

源代码：

    /**
     * 在队尾插入一个元素
     * 如果队列满了，一直阻塞，直到数组不满了或者线程被中断
     */
    public void put(E e) throws InterruptedException {
        if (e == null)
            throw new NullPointerException();
        final E[] items = this.items;
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            try {
                while (count == items.length)//队列满了，一直阻塞在这里
                    /*
                     * 一直等待条件notFull，即被其他线程唤醒
                     * （唤醒其实就是，有线程将一个元素出队了，然后调用notFull.signal()唤醒其他等待这个条件的线程，同时队列也不慢了）
                     */
                    notFull.await();
            } catch (InterruptedException ie) {//如果被中断
                notFull.signal(); // 唤醒其他等待该条件（notFull，即入队）的线程
                throw ie;
            }
            insert(e);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

4、出队

4.1、public E poll()

原理：

• 如果没有元素，直接返回null；如果有元素，将队头元素置null，但是要注意队头是随时变化的，并非一直是items[0]。

使用方法：

abq.poll();

源代码：

    /**
     * 出队
     */
    public E poll() {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            if (count == 0)//如果没有元素，直接返回null，而非抛出异常
                return null;
            E x = extract();
            return x;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    /**
     * 出队
     */
    private E extract() {
        final E[] items = this.items;
        E x = items[takeIndex];//获取出队元素
        items[takeIndex] = null;//将出队元素位置置空
        /*
         * 第一次出队的元素takeIndex==0,第二次出队的元素takeIndex==1
         * (注意：这里出队之后，并没有将后面的数组元素向前移)
         */
        takeIndex = inc(takeIndex);
        --count;//数组元素个数-1
        notFull.signal();//数组已经不满了，唤醒其他等待notFull条件的线程
        return x;//返回出队的元素
    }

4.2、public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException

原理：

• 从对头删除一个元素，如果数组不空，出队；如果数组已空且已经超时，返回null；如果数组已空且时间未超时，则进入等待，直到出现以下三种情况：
  • 被唤醒
  • 等待时间超时
  • 当前线程被中断

使用方法：

        try {
            abq.poll(1000, TimeUnit.MILLISECONDS);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

源代码：

    /**
     * 从对头删除一个元素,
     * 如果数组不空，出队；
     * 如果数组已空，判断时间是否超时，如果已经超时，返回null
     * 如果数组已空且时间未超时，则进入等待，直到出现以下三种情况：
     * 1、被唤醒
     * 2、等待时间超时
     * 3、当前线程被中断
     */
    public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        long nanos = unit.toNanos(timeout);//将时间转换为纳秒
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            for (;;) {
                if (count != 0) {//数组不空
                    E x = extract();//出队
                    return x;
                }
                if (nanos <= 0)//时间超时
                    return null;
                try {
                    /*
                     * 进行等待：
                     * 在这个过程中可能发生三件事：
                     * 1、被唤醒-->继续当前这个for(;;)循环
                     * 2、超时-->继续当前这个for(;;)循环
                     * 3、被中断-->之后直接执行catch部分的代码
                     */
                    nanos = notEmpty.awaitNanos(nanos);
                } catch (InterruptedException ie) {
                    notEmpty.signal(); // propagate to non-interrupted thread
                    throw ie;
                }

            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

4.3、public E take() throws InterruptedException

原理：

• 将队头元素出队，如果队列空了，一直阻塞，直到数组不为空或者线程被中断

使用方法：

        try {
            abq.take();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

源代码：

    /**
     * 将队头元素出队
     * 如果队列空了，一直阻塞，直到数组不为空或者线程被中断
     */
    public E take() throws InterruptedException {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            try {
                while (count == 0)//如果数组为空，一直阻塞在这里
                    /*
                     * 一直等待条件notEmpty，即被其他线程唤醒
                     * （唤醒其实就是，有线程将一个元素入队了，然后调用notEmpty.signal()唤醒其他等待这个条件的线程，同时队列也不空了）
                     */
                    notEmpty.await();
            } catch (InterruptedException ie) {
                notEmpty.signal(); // propagate to non-interrupted thread
                throw ie;
            }
            E x = extract();
            return x;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

  

总结：

1、具体入队与出队的原理图：这里只说一种情况，见下图，途中深色部分表示已有元素，浅色部分没有元素。

上面这种情况是怎么形成的呢？当队列满了，这时候，队头元素为items[0]出队了，就形成上边的这种情况。

假设现在又要出队了，则现在的队头元素是items[1]，出队后就形成下面的情形。

出队后，对头元素就是items[2]了，假设现在有一个元素将要入队，根据inc方法，我们可以得知，他要插入到items[0]去，入队了形成下图：

以上就是整个入队出队的流程，inc方法上边已经给出，这里再贴一遍：

    /**
     * i+1,数组下标+1
     * 注意：这里这样写的原因。
     */
    final int inc(int i) {
        return (++i == items.length) ? 0 : i;
    }

2、三种入队对比：

• offer(E e)：如果队列没满，立即返回true； 如果队列满了，立即返回false-->不阻塞
• put(E e)：如果队列满了，一直阻塞，直到数组不满了或者线程被中断-->阻塞
• offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)：在队尾插入一个元素,，如果数组已满，则进入等待，直到出现以下三种情况：-->阻塞
  • 被唤醒
  • 等待时间超时
  • 当前线程被中断

3、三种出对对比：

• poll()：如果没有元素，直接返回null；如果有元素，出队
• take()：如果队列空了，一直阻塞，直到数组不为空或者线程被中断-->阻塞
• poll(long timeout, TimeUnit unit)：如果数组不空，出队；如果数组已空且已经超时，返回null；如果数组已空且时间未超时，则进入等待，直到出现以下三种情况：
  • 被唤醒
  • 等待时间超时
  • 当前线程被中断