ArrayBlockingQueue原理分析讲解

构造方法

ArrayBlockingQueue 提供了三个构造方法，分别如下。

capacity：表示数组的长度，也就是队列的长度fair：表示是否为公平的阻塞队列，默认情况下构造的是非公平的阻塞队列。

其中第三个构造方法就不解释了，它提供了接收一个几个作为数据初始化的方法：

public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
        this(capacity, false);
    }
 
    public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
        if (capacity <= 0)
            throw new IllegalArgumentException();
        this.items = new Object[capacity];
        lock = new ReentrantLock(fair); //重入锁，出队和入队持有这一把锁
        notEmpty = lock.newCondition(); //初始化非空等待队列
        notFull = lock.newCondition(); //初始化非满等待队列
    }

关于锁的用途，大家在没有看接下来的源码之前，可以先思考一下他的作用。

items 构造以后，大概是一个这样的数组结构：

Add 方法

以 add 方法作为入口，在 add 方法中会调用父类的 add 方法，也就是 AbstractQueue.如果看源码看得比较多的话，一般这种写法都是调用父类的模版方法来解决通用性问题：

public boolean add(E e) {
        return super.add(e);
    }
 
    //从父类的 add 方法可以看到，这里做了一个队列是否满了的判断，如果队列满了直接抛出一个异常
    public boolean add(E e) {
        if (offer(e))
            return true;
        else
            throw new IllegalStateException("Queue full");
    }

offer 方法

add 方法最终还是调用 offer 方法来添加数据，返回一个添加成功或者失败的布尔值反馈这段代码做了几个事情：

1. 判断添加的数据是否为空。

2. 添加重入锁。

3. 判断队列长度，如果队列长度等于数组长度，表示满了直接返回 false。

4. 否则，直接调用 enqueue 将元素添加到队列中。

public boolean offer(E e) {
        checkNotNull(e); //对请求数据做判断
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            if (count == items.length)
                return false;
            else {
                enqueue(e);
                return true;
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

enqueue

这个是最核心的逻辑，方法内部通过 putIndex 索引直接将元素添加到数组 items ：

private void enqueue(E x) {
       // assert lock.getHoldCount() == 1;
       // assert items[putIndex] == null;
       final Object[] items = this.items;
       items[putIndex] = x; //通过 putIndex 对数据赋值
       if (++putIndex == items.length) // 当putIndex 等于数组长度时，将 putIndex 重置为 0
           putIndex = 0;
       count++;//记录队列元素的个数
       notEmpty.signal();//唤醒处于等待状态下的线程，表示当前队列中的元素不为空,如果存在消费者线程阻塞，就可以开始取出元素
   }

这里大家肯定会有一个疑问，putIndex 为什么会在等于数组长度的时候重新设置为 0。因为 ArrayBlockingQueue 是一个 FIFO 的队列，队列添加元素时，是从队尾获取 putIndex 来存储元素，当 putIndex等于数组长度时，下次就需要从数组头部开始添加了。下面这个图模拟了添加到不同长度的元素时，putIndex 的变化，当 putIndex 等于数组长度时，不可能让 putIndex 继续累加，否则会超出数组初始化的容量大小。同时大家还需要思考两个问题：

1. 当元素满了以后是无法继续添加的，因为会报错。

2. 其次，队列中的元素肯定会有一个消费者线程通过 take或者其他方法来获取数据，而获取数据的同时元素也会从队列中移除。

put 方法

put 方法和 add 方法功能一样，差异是 put 方法如果队列满了，会阻塞。这个在最开始的时候说过。接下来看一下它的实现逻辑：

public void put(E e) throws
            InterruptedException {
        checkNotNull(e);
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly(); //这个也是获得锁，但 是和 lock 的区别是，这个方法优先允许在等待时由其他线程调用等待线程的 interrupt 方法来中断等待直接返回。而 lock方法是尝试获得锁成功后才响应中断
        try {
            while (count == items.length) notFull.await();//队列满了的情况下，当前线程将会被 notFull 条件对象挂起加到等待队列中
            enqueue(e);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

take 方法

take 方法是一种阻塞获取队列中元素的方法它的实现原理很简单，有就删除没有就阻塞，注意这个阻塞是可以中断的，如果队列没有数据那么就加入 notEmpty条件队列等待(有数据就直接取走，方法结束)，如果有新的put 线程添加了数据，那么 put 操作将会唤醒 take 线程，执行 take 操作。

public E take() throws InterruptedException {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == 0)
                notEmpty.await(); //如果队列为空的情况下，直接通过 await 方法阻塞
            return dequeue();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

如果队列中添加了元素，那么这个时候，会在 enqueue 中调用 notempty.signal 唤醒 take 线程来获得元素。

dequeue 方法

这个是出队列的方法，主要是删除队列头部的元素并发返回给客户端takeIndex，是用来记录拿数据的索引值。

private E dequeue() {
        // assert lock.getHoldCount() == 1;
        // assert items[takeIndex] != null;
        final Object[] items = this.items;
        @SuppressWarnings("unchecked")
        E x = (E) items[takeIndex]; //默认获取 0 位置的元素
        items[takeIndex] = null;//将该位置的元素设置为空
        if (++takeIndex == items.length)//这里的作用也是一样，如果拿到数组的最大值，那么重置为 0，继续从头部位置开始获取数据
            takeIndex = 0;
        count--;//记录 元素个数递减
        if (itrs != null)
            itrs.elementDequeued();//同时更新迭代器中的元素数据
        notFull.signal();//触发 因为队列满了以后导致的被阻塞的线程
        return x;
    }

itrs.elementDequeued();

ArrayBlockingQueue 中，实现了迭代器的功能，也就是可以通过迭代器来遍历阻塞队列中的元素：

所以 itrs.elementDequeued() 是用来更新迭代器中的元素数据的takeIndex 的索引变化图如下，同时随着数据的移除，会唤醒处于 put 阻塞状态下的线程来继续添加数据。

remove 方法

remove 方法是移除一个指定元素。看看它的实现代码：

public boolean remove(Object o) {
        if (o == null) return false;
        final Object[] items = this.items; //获取数组元素
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock(); //获得锁
        try {
            if (count > 0) { //如果队列不为空
                final int putIndex = this.putIndex; //获取下一个要添加元素时的索引
                int i = takeIndex;//获取当前要被移除的元素的索引
                do {
                    if (o.equals(items[i])) {//从takeIndex 下标开始，找到要被删除的元素
                        removeAt(i);//移除指定元素
                        return true;//返回执行结果
                    }
                    //当前删除索引执行加 1 后判断是否与数组长度相等
                    //若为 true，说明索引已到数组尽头，将 i 设置为 0
                    if (++i == items.length)
                        i = 0;
                } while (i != putIndex);//继续查找，直到找到最后一个元素
            }
            return false;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }