【JUC】JDK1.8源码分析之ArrayBlockingQueue（三）

一、前言

　　在完成Map下的并发集合后，现在来分析ArrayBlockingQueue，ArrayBlockingQueue可以用作一个阻塞型队列，支持多任务并发操作，有了之前看源码的积累，再看ArrayBlockingQueue源码会很容易，下面开始正文。

二、ArrayBlockingQueue数据结构

　　通过源码分析，并且可以对比ArrayList可知，ArrayBlockingQueue的底层数据结构是数组，数据结构如下

　　说明：ArrayBlockingQueue底层采用数据才存放数据，对数组的访问添加了锁的机制，使其能够支持多线程并发。

三、ArrayBlockingQueue源码分析

　　3.1 类的继承关系　　

public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
        implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {}

　　说明：可以看到ArrayBlockingQueue继承了AbstractQueue抽象类，AbstractQueue定义了对队列的基本操作；同时实现了BlockingQueue接口，BlockingQueue表示阻塞型的队列，其对队列的操作可能会抛出异常；同时也实现了Searializable接口，表示可以被序列化。

　　3.2 类的属性　　

public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
        implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
    // 版本序列号
    private static final long serialVersionUID = -817911632652898426L;
    // 存放实际元素的数组
    final Object[] items;
    // 取元素索引
    int takeIndex;
    // 获取元素索引
    int putIndex;
    // 队列中的项
    int count;
    // 可重入锁
    final ReentrantLock lock;
    // 等待获取条件
    private final Condition notEmpty;
    // 等待存放条件
    private final Condition notFull;
    // 迭代器
    transient Itrs itrs = null;
}

　　说明：从类的属性中可以清楚的看到其底层的结构是Object类型的数组，取元素和存元素有不同的索引，有一个可重入锁ReentrantLock，两个条件Condition。对ReentrantLock和Condition不太熟悉的读者可以参考笔者的这篇博客，【JUC】JDK1.8源码分析之ReentrantLock（三）。

　　3.3 类的构造函数

　　1. ArrayBlockingQueue(int)型构造函数　

    public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
        // 调用两个参数的构造函数
        this(capacity, false);
    }

　　说明：该构造函数用于创建一个带有给定的（固定）容量和默认访问策略的 ArrayBlockingQueue。

　　2. ArrayBlockingQueue(int, boolean)型构造函数　　

    public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
        // 初始容量必须大于0
        if (capacity <= 0)
            throw new IllegalArgumentException();
        // 初始化数组
        this.items = new Object[capacity];
        // 初始化可重入锁
        lock = new ReentrantLock(fair);
        // 初始化等待条件
        notEmpty = lock.newCondition();
        notFull =  lock.newCondition();
    }

　　说明：该构造函数用于创建一个具有给定的（固定）容量和指定访问策略的 ArrayBlockingQueue。

　　3. ArrayBlockingQueue(int, boolean, Collection<? extends E>)型构造函数　

    public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair,
                              Collection<? extends E> c) {
        // 调用两个参数的构造函数
        this(capacity, fair);
        // 可重入锁
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        // 上锁
        lock.lock(); // Lock only for visibility, not mutual exclusion
        try {
            int i = 0;
            try {
                for (E e : c) { // 遍历集合
                    // 检查元素是否为空
                    checkNotNull(e);
                    // 存入ArrayBlockingQueue中
                    items[i++] = e;
                }
            } catch (ArrayIndexOutOfBoundsException ex) { // 当初始化容量小于传入集合的大小时，会抛出异常
                throw new IllegalArgumentException();
            }
            // 元素数量
            count = i;
            // 初始化存元素的索引
            putIndex = (i == capacity) ? 0 : i;
        } finally {
            // 释放锁
            lock.unlock();
        }
    }

　　说明：该构造函数用于创建一个具有给定的（固定）容量和指定访问策略的 ArrayBlockingQueue，它最初包含给定 collection 的元素，并以 collection 迭代器的遍历顺序添加元素。

　　3.4 核心函数分析

　　1. put函数　　

    public void put(E e) throws InterruptedException {
        checkNotNull(e);
        // 获取可重入锁
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        // 如果当前线程未被中断，则获取锁
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == items.length) // 判断元素是否已满
                // 若满，则等待
                notFull.await();
            // 入队列
            enqueue(e);
        } finally {
            // 释放锁
            lock.unlock();
        }
    }

　　说明：put函数用于存放元素，在当前线程被中断时会抛出异常，并且当队列已经满时，会阻塞一直等待。其中，put会调用enqueue函数，enqueue函数源码如下　　

    private void enqueue(E x) {
        // assert lock.getHoldCount() == 1;
        // assert items[putIndex] == null;
        // 获取数组
        final Object[] items = this.items;
        // 将元素放入
        items[putIndex] = x;
        if (++putIndex == items.length) // 放入后存元素的索引等于数组长度（表示已满）
            // 重置存索引为0
            putIndex = 0;
        // 元素数量加1
        count++;
        // 唤醒在notEmpty条件上等待的线程
        notEmpty.signal();
    }

　　说明：enqueue函数用于将元素存入底层Object数组中，并且会唤醒等待notEmpty条件的线程。

　　2. offer函数　　

    public boolean offer(E e) {
        // 检查元素不能为空
        checkNotNull(e);
        // 可重入锁
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        // 获取锁
        lock.lock();
        try {
            if (count == items.length) // 元素个数等于数组长度，则返回
                return false; 
            else { // 添加进数组
                enqueue(e);
                return true;
            }
        } finally {
            // 释放数组
            lock.unlock();
        }
    }

　　说明：offer函数也用于存放元素，在调用ArrayBlockingQueue的add方法时，会间接的调用到offer函数，offer函数添加元素不会抛出异常，当底层Object数组已满时，则返回false，否则，会调用enqueue函数，将元素存入底层Object数组。并唤醒等待notEmpty条件的线程。

　　3. take函数　　

    public E take() throws InterruptedException {
        // 可重入锁
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        // 如果当前线程未被中断，则获取锁，中断会抛出异常
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == 0) // 元素数量为0，即Object数组为空
                // 则等待notEmpty条件
                notEmpty.await();
            // 出队列
            return dequeue();
        } finally {
            // 释放锁
            lock.unlock();
        }
    }

　　说明：take函数用于从ArrayBlockingQueue中获取一个元素，其与put函数相对应，在当前线程被中断时会抛出异常，并且当队列为空时，会阻塞一直等待。其中，take会调用dequeue函数，dequeue函数源码如下　　

    private E dequeue() {
        // assert lock.getHoldCount() == 1;
        // assert items[takeIndex] != null;
        final Object[] items = this.items;
        @SuppressWarnings("unchecked")
        // 取元素
        E x = (E) items[takeIndex];
        // 该索引的值赋值为null
        items[takeIndex] = null;
        // 取值索引等于数组长度
        if (++takeIndex == items.length)
            // 重新赋值取值索引
            takeIndex = 0;
        // 元素个数减1
        count--;
        if (itrs != null) 
            itrs.elementDequeued();
        // 唤醒在notFull条件上等待的线程
        notFull.signal();
        return x;
    }

　　说明：dequeue函数用于将取元素，并且会唤醒等待notFull条件的线程。

　　4. poll函数　　

    public E poll() {
        // 重入锁
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        // 获取锁
        lock.lock();
        try {
            // 若元素个数为0则返回null，否则，调用dequeue，出队列
            return (count == 0) ? null : dequeue();
        } finally {
            // 释放锁
            lock.unlock();
        }
    }

　　说明：poll函数用于获取元素，其与offer函数相对应，不会抛出异常，当元素个数为0是，返回null，否则，调用dequeue函数，并唤醒等待notFull条件的线程。并返回。

　　5. clear函数　　

    public void clear() {
        // 数组
        final Object[] items = this.items;
        // 可重入锁
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        // 获取锁
        lock.lock();
        try {
            // 保存元素个数
            int k = count;
            if (k > 0) { // 元素个数大于0
                // 存数元素索引
                final int putIndex = this.putIndex;
                // 取元素索引
                int i = takeIndex;
                do {
                    // 赋值为null
                    items[i] = null;
                    if (++i == items.length) // 重新赋值i
                        i = 0;
                } while (i != putIndex);
                // 重新赋值取元素索引
                takeIndex = putIndex;
                // 元素个数为0
                count = 0;
                if (itrs != null)
                    itrs.queueIsEmpty();
                for (; k > 0 && lock.hasWaiters(notFull); k--) // 若有等待notFull条件的线程，则逐一唤醒
                    notFull.signal();
            }
        } finally {
            // 释放锁
            lock.unlock();
        }
    }

　　说明：clear函数用于清空ArrayBlockingQueue，并且会释放所有等待notFull条件的线程（存放元素的线程）。

四、示例

　　下面给出一个具体的示例来演示ArrayBlockingQueue的使用　　

package com.hust.grid.leesf.collections;

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;

class PutThread extends Thread {
    private ArrayBlockingQueue<Integer> abq;
    public PutThread(ArrayBlockingQueue<Integer> abq) {
        this.abq = abq;
    }
    
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            try {
                System.out.println("put " + i);
                abq.put(i);
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

class GetThread extends Thread {
    private ArrayBlockingQueue<Integer> abq;
    public GetThread(ArrayBlockingQueue<Integer> abq) {
        this.abq = abq;
    }
    
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            try {
                System.out.println("take " + abq.take());
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

public class ArrayBlockingQueueDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayBlockingQueue<Integer> abq = new ArrayBlockingQueue<Integer>(10);
        PutThread p1 = new PutThread(abq);
        GetThread g1 = new GetThread(abq);
        
        p1.start();
        g1.start();
    }
}

　　运行结果：　　

put 0
take 0
put 1
take 1
put 2
take 2
put 3
take 3
put 4
take 4
put 5
take 5
put 6
take 6
put 7
take 7
put 8
take 8
put 9
take 9

　　说明：示例中使用了两个线程，一个用于存元素，一个用于读元素，存和读各10次，每个线程存一个元素或者读一个元素后都会休眠100ms，可以看到结果是交替打印，并且首先打印的肯定是put线程语句（因为若取线程先取元素，此时队列并没有元素，其会阻塞，等待存线程存入元素），并且最终程序可以正常结束。

　　① 若修改取元素线程，将存的元素的次数修改为15次（for循环的结束条件改为15即可），运行结果如下：　　

put 0
take 0
put 1
take 1
put 2
take 2
put 3
take 3
put 4
take 4
put 5
take 5
put 6
take 6
put 7
take 7
put 8
take 8
put 9
take 9

　　说明：运行结果与上面的运行结果相同，但是，此时程序无法正常结束，因为take方法被阻塞了，等待被唤醒。

五、总结

　　总的来说，有了前面分析的基础，分析ArrayBlockingQueue就会非常的简单，ArrayBlockingQueue是通过ReentrantLock和Condition条件来保证多线程的正确访问的。ArrayBockingQueue的分析就到这里，欢迎交流，谢谢各位园友的观看~