Java并发容器之ArrayBlockingQueue源码分析

一、简介

ArrayBlockingQueue是java并发包下一个以数组实现的阻塞队列，它是线程安全的，至于是否需要扩容，请看下面的分析。

二、源码分析

2.1 属性

// 使用数组存储元素
final Object[] items;

// 取元素的指针
int takeIndex;

// 放元素的指针
int putIndex;

// 元素数量
int count;

// 保证并发访问的锁
final ReentrantLock lock;

// 非空条件
private final Condition notEmpty;

// 非满条件
private final Condition notFull;

通过属性我们可以得出以下几个重要信息：

1. 利用数组存储元素；
2. 通过放指针和取指针来标记下一次操作的位置；
3. 利用重入锁来保证并发安全；

2.2 构造方法

public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
    this(capacity, false);
}

public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
    if (capacity <= 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    // 初始化数组
    this.items = new Object[capacity];
    // 创建重入锁及两个条件
    lock = new ReentrantLock(fair);
    notEmpty = lock.newCondition();
    notFull =  lock.newCondition();
}

通过构造方法我们可以得出以下两个结论：

1. ArrayBlockingQueue初始化时必须传入容量，也就是数组的大小；
2. 可以通过构造方法控制重入锁的类型是公平锁还是非公平锁；

2.3 入队

入队有四个方法，它们分别是add(E e)、offer(E e)、put(E e)、offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)，它们有什么区别呢？

public boolean add(E e) {
    // 调用父类的add(e)方法
    return super.add(e);
}

// super.add(e)
public boolean add(E e) {
    // 调用offer(e)如果成功返回true，如果失败抛出异常
    if (offer(e))
        return true;
    else
        throw new IllegalStateException("Queue full");
}

public boolean offer(E e) {
    // 元素不可为空
    checkNotNull(e);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 加锁
    lock.lock();
    try {
        if (count == items.length)
            // 如果数组满了就返回false
            return false;
        else {
            // 如果数组没满就调用入队方法并返回true
            enqueue(e);
            return true;
        }
    } finally {
        // 解锁
        lock.unlock();
    }
}

public void put(E e) throws InterruptedException {
    checkNotNull(e);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 加锁，如果线程中断了抛出异常
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        // 如果数组满了，使用notFull等待
        // notFull等待的意思是说现在队列满了
        // 只有取走一个元素后，队列才不满
        // 然后唤醒notFull，然后继续现在的逻辑
        // 这里之所以使用while而不是if
        // 是因为有可能多个线程阻塞在lock上
        // 即使唤醒了可能其它线程先一步修改了队列又变成满的了
        // 这时候需要再次等待
        while (count == items.length)
            notFull.await();
        // 入队
        enqueue(e);
    } finally {
        // 解锁
        lock.unlock();
    }
}

public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
    throws InterruptedException {
    checkNotNull(e);
    long nanos = unit.toNanos(timeout);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 加锁
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        // 如果数组满了，就阻塞nanos纳秒
        // 如果唤醒这个线程时依然没有空间且时间到了就返回false
        while (count == items.length) {
            if (nanos <= 0)
                return false;
            nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
        }
        // 入队
        enqueue(e);
        return true;
    } finally {
        // 解锁
        lock.unlock();
    }
}

private void enqueue(E x) {
    final Object[] items = this.items;
    // 把元素直接放在放指针的位置上
    items[putIndex] = x;
    // 如果放指针到数组尽头了，就返回头部
    if (++putIndex == items.length)
        putIndex = 0;
    // 数量加1
    count++;
    // 唤醒notEmpty，因为入队了一个元素，所以肯定不为空了
    notEmpty.signal();
}

1. add(e)时如果队列满了则抛出异常；
2. offer(e)时如果队列满了则返回false；
3. put(e)时如果队列满了则使用notFull等待；
4. offer(e, timeout, unit)时如果队列满了则等待一段时间后如果队列依然满就返回false；
5. 利用放指针循环使用数组来存储元素；

2.4 出队

出队有四个方法，它们分别是remove()、poll()、take()、poll(long timeout, TimeUnit unit)，它们有什么区别呢？

public E remove() {
    // 调用poll()方法出队
    E x = poll();
    if (x != null)
        // 如果有元素出队就返回这个元素
        return x;
    else
        // 如果没有元素出队就抛出异常
        throw new NoSuchElementException();
}

public E poll() {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 加锁
    lock.lock();
    try {
        // 如果队列没有元素则返回null，否则出队
        return (count == 0) ? null : dequeue();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 加锁
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        // 如果队列无元素，则阻塞等待在条件notEmpty上
        while (count == 0)
            notEmpty.await();
        // 有元素了再出队
        return dequeue();
    } finally {
        // 解锁
        lock.unlock();
    }
}

public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
    long nanos = unit.toNanos(timeout);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 加锁
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        // 如果队列无元素，则阻塞等待nanos纳秒
        // 如果下一次这个线程获得了锁但队列依然无元素且已超时就返回null
        while (count == 0) {
            if (nanos <= 0)
                return null;
            nanos = notEmpty.awaitNanos(nanos);
        }
        return dequeue();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

private E dequeue() {
    final Object[] items = this.items;
    @SuppressWarnings("unchecked")
    // 取取指针位置的元素
    E x = (E) items[takeIndex];
    // 把取指针位置设为null
    items[takeIndex] = null;
    // 取指针前移，如果数组到头了就返回数组前端循环利用
    if (++takeIndex == items.length)
        takeIndex = 0;
    // 元素数量减1
    count--;
    if (itrs != null)
        itrs.elementDequeued();
    // 唤醒notFull条件
    notFull.signal();
    return x;
}

1. remove()时如果队列为空则抛出异常；
2. poll()时如果队列为空则返回null；
3. take()时如果队列为空则阻塞等待在条件notEmpty上；
4. poll(timeout, unit)时如果队列为空则阻塞等待一段时间后如果还为空就返回null；
5. 利用取指针循环从数组中取元素；

三、总结

1. ArrayBlockingQueue不需要扩容，因为是初始化时指定容量，并循环利用数组；
2. ArrayBlockingQueue利用takeIndex和putIndex循环利用数组；
3. 入队和出队各定义了四组方法为满足不同的用途；
4. 利用重入锁和两个条件保证并发安全；

四、拓展

4.1 论BlockingQueue中的那些方法？

BlockingQueue是所有阻塞队列的顶级接口，它里面定义了一批方法，它们有什么区别呢？

操作	抛出异常	返回特定值	阻塞	超时
入队	add(e)	offer(e)——false	put(e)	offer(e, timeout, unit)
出队	remove()	poll()——null	take()	poll(timeout, unit)
检查	element()	peek()——null	-	-

4.2 ArrayBlockingQueue有哪些缺点呢？

1. 队列长度固定且必须在初始化时指定，所以使用之前一定要慎重考虑好容量；
2. 如果消费速度跟不上入队速度，则会导致提供者线程一直阻塞，且越阻塞越多，非常危险；
3. 只使用了一个锁来控制入队出队，效率较低，那是不是可以借助分段的思想把入队出队分裂成两个锁呢？