第七章 LinkedBlockingQueue源码解析

1、对于LinkedBlockingQueue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

Node节点内部类与LinkedBlockingQueue的一些属性

static class Node<E> {
        E item;//节点封装的数据
        /**
         * One of:
         * - the real successor Node
         * - this Node, meaning the successor is head.next
         * - null, meaning there is no successor (this is the last node)
         */

        Node<E> next;//下一个节点
        Node(E x) { item = x; }
    }

    /** 指定链表容量  */
    private final int capacity;

    /** 当前的元素个数 */
    private final AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    /** 链表头节点 */
    private transient Node<E> head;

    /** 链表尾节点 */
    private transient Node<E> last;

    /** 出队锁 */
    private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();

    /** 出队等待条件 */
    private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();

    /** 入队锁 */
    private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();

    /** 入队等待条件 */
    private final Condition notFull = putLock.newCondition();

2.1、public LinkedBlockingQueue(int capacity)

使用方法：

Queue<String> abq = new LinkedBlockingQueue<String>(1000);

源代码：

/**
     * 创建一个 LinkedBlockingQueue，容量为指定容量
     */
    public LinkedBlockingQueue(int capacity) {
        if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
        this.capacity = capacity;
        last = head = new Node<E>(null);//初始化头节点和尾节点，均为封装了null数据的节点
    }

注意点：

LinkedBlockingQueue的组成一个链表+两把锁+两个条件

2.2、public LinkedBlockingQueue()

使用方法：

Queue<String> abq = new LinkedBlockingQueue<String>();

源代码：

/**
     * 创建一个LinkedBlockingQueue，容量为整数最大值
     */
    public LinkedBlockingQueue() {
        this(Integer.MAX_VALUE);
    }

注意点：默认容量为整数最大值，可以看做没有容量限制

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， 容量没满，可以立即插入，返回true； 队列满了，直接返回false
     * 注：如果使用了限制了容量的队列，这个方法比add()好，因为add()插入失败就会抛出异常
     */
    public boolean offer(E e) {
        if (e == null)
            throw new NullPointerException();
        final AtomicInteger count = this.count;// 获取队列中的元素个数
        if (count.get() == capacity)// 队列满了
            return false;
        int c = -1;
        final ReentrantLock putLock = this.putLock;
        putLock.lock();// 获取入队锁
        try {
            if (count.get() < capacity) {// 容量没满
                enqueue(e);// 入队
                c = count.getAndIncrement();// 容量+1，返回旧值（注意）
                if (c + 1 < capacity)// 如果添加元素后的容量，还小于指定容量（说明在插入当前元素后，至少还可以再插一个元素）
                    notFull.signal();// 唤醒等待notFull条件的其中一个线程
            }
        } finally {
            putLock.unlock();// 释放入队锁
        }
        if (c == 0)// 如果c==0，这是什么情况？一开始如果是个空队列，就会是这样的值，要注意的是，上边的c返回的是旧值
            signalNotEmpty();
        return c >= 0;
    }

/**
     * 创建一个节点，并加入链表尾部
     * @param x
     */
    private void enqueue(E x) {
        /*
         * 封装新节点，并赋给当前的最后一个节点的下一个节点，然后在将这个节点设为最后一个节点
         */
        last = last.next = new Node<E>(x);
    }

private void signalNotEmpty() {
        final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
        takeLock.lock();//获取出队锁
        try {
            notEmpty.signal();//唤醒等待notEmpty条件的线程中的一个
        } finally {
            takeLock.unlock();//释放出队锁
        }
    }

如果，入队逻辑不懂，查看最后总结部分入队逻辑的图，代码非常简单，流程看注释即可。

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

原理：

在队尾插入一个元素,，如果队列已满，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,，如果队列已满，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);// 转换为纳秒
        int c = -1;
        final ReentrantLock putLock = this.putLock;// 入队锁
        final AtomicInteger count = this.count;// 总数量
        putLock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count.get() == capacity) {// 容量已满
                if (nanos <= 0)// 已经超时
                    return false;
                /*
                 * 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while循环
                 * 2、超时-->继续当前这个while循环 
                 * 3、被中断-->抛出中断异常InterruptedException
                 */
                nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
            }
            enqueue(e);// 入队
            c = count.getAndIncrement();// 入队元素数量+1
            if (c + 1 < capacity)
                notFull.signal();
        } finally {
            putLock.unlock();
        }
        if (c == 0)
            signalNotEmpty();
        return true;
    }

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。

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，直到队列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：

/**
     * 在队尾插一个元素
     * 如果队列满了，一直阻塞，直到队列不满了或者线程被中断
     */
    public void put(E e) throws InterruptedException {
        if (e == null) throw new NullPointerException();
        int c = -1;
        final ReentrantLock putLock = this.putLock;//入队锁
        final AtomicInteger count = this.count;//当前队列中的元素个数
        putLock.lockInterruptibly();//加锁
        try {
            while (count.get() == capacity) {//如果队列满了 
                /*
                 * 加入notFull等待队列，直到队列元素不满了，
                 * 被其他线程使用notFull.signal()唤醒
                 */
                notFull.await();
            }
            enqueue(e);//入队
            c = count.getAndIncrement();//入队数量+1
            if (c + 1 < capacity)
                notFull.signal();
        } finally {
            putLock.unlock();
        }
        if (c == 0)
            signalNotEmpty();
    }

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，出队

使用方法：

abq.poll();

源代码：

/**
     * 出队： 
     * 1、如果没有元素，直接返回null 
     * 2、如果有元素，出队
     */
    public E poll() {
        final AtomicInteger count = this.count;// 获取元素数量
        if (count.get() == 0)// 没有元素
            return null;
        E x = null;
        int c = -1;
        final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
        takeLock.lock();// 获取出队锁
        try {
            if (count.get() > 0) {// 有元素
                x = dequeue();// 出队
                // 元素个数-1（注意：该方法是一个无限循环，直到减1成功为止，且返回旧值）
                c = count.getAndDecrement();
                if (c > 1)// 还有元素（如果旧值c==1的话，那么通过上边的操作之后，队列就空了）
                    notEmpty.signal();// 唤醒等待在notEmpty队列中的其中一条线程
            }
        } finally {
            takeLock.unlock();// 释放出队锁
        }
        if (c == capacity)// c == capacity是怎么发生的？如果队列是一个满队列，注意：上边的c返回的是旧值
            signalNotFull();
        return x;
    }

/**
     * 从队列头部移除一个节点
     */
    private E dequeue() {
        Node<E> h = head;//获取头节点：x==null
        Node<E> first = h.next;//将头节点的下一个节点赋值给first
        h.next = h; // 将当前将要出队的节点置null（为了使其做head节点做准备）
        head = first;//将当前将要出队的节点作为了头节点
        E x = first.item;//获取出队节点的值
        first.item = null;//将出队节点的值置空
        return x;
    }

private void signalNotFull() {
        final ReentrantLock putLock = this.putLock;
        putLock.lock();
        try {
            notFull.signal();
        } finally {
            putLock.unlock();
        }
    }

注意：出队逻辑如果不懂，查看最后总结部分的图

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

原理：

从队头删除一个元素，如果队列不空，出队；如果队列已空且已经超时，返回null；如果队列已空且时间未超时，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：

/**
     * 从队列头部删除一个元素,
     * 如果队列不空，出队；
     * 如果队列已空，判断时间是否超时，如果已经超时，返回null
     * 如果队列已空且时间未超时，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 {
        E x = null;
        int c = -1;
        long nanos = unit.toNanos(timeout);
        final AtomicInteger count = this.count;
        final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
        takeLock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count.get() == 0) {//如果队列没有元素
                if (nanos <= 0)//已经超时
                    return null;
                /*
                 * 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while循环
                 * 2、超时-->继续当前这个while循环
                 * 3、被中断-->抛出异常
                 */
                nanos = notEmpty.awaitNanos(nanos);
            }
            x = dequeue();//出队
            c = count.getAndDecrement();
            if (c > 1)
                notEmpty.signal();
        } finally {
            takeLock.unlock();
        }
        if (c == capacity)
            signalNotFull();
        return x;
    }

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，直到队列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：

/**
     * 出队：
     * 如果队列空了，一直阻塞，直到队列不为空或者线程被中断
     */
    public E take() throws InterruptedException {
        E x;
        int c = -1;
        final AtomicInteger count = this.count;//获取队列中的元素总量
        final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
        takeLock.lockInterruptibly();//获取出队锁
        try {
            while (count.get() == 0) {//如果没有元素，一直阻塞
                /*
                 * 加入等待队列， 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();
            }
            x = dequeue();//出队
            c = count.getAndDecrement();//元素数量-1
            if (c > 1)
                notEmpty.signal();
        } finally {
            takeLock.unlock();
        }
        if (c == capacity)
            signalNotFull();
        return x;
    }

总结：

1、具体入队与出队的原理图：

图中每一个节点前半部分表示封装的数据x，后边的表示指向的下一个引用。

1.1、初始化

初始化之后，初始化一个数据为null，且head和last节点都是这个节点。

1.2、入队两个元素过后

这个可以根据入队方法enqueue(E x)来看，源代码再贴一遍：

/**
     * 创建一个节点，并加入链表尾部
     * 
     * @param x
     */
    private void enqueue(E x) {
        /*
         * 封装新节点，并赋给当前的最后一个节点的下一个节点，然后在将这个节点设为最后一个节点
         */
        last = last.next = new Node<E>(x);
    }

其实这我们就可以发现其实真正意义上出队的头节点是Head节点的下一个节点。（这也就是Node这个内部类中对next的注释，我没有翻译）

1.3、出队一个元素后

表面上看，只是将头节点的next指针指向了要删除的x1.next，事实上这样我觉的就完全可以，但是jdk实际上是将原来的head节点删除了，而上边看到的这个head节点，正是刚刚出队的x1节点，只是其值被置空了。

这一块对应着源代码来看：dequeue()

/**
     * 从队列头部移除一个节点
     */
    private E dequeue() {
        Node<E> h = head;// 获取头节点：x==null
        Node<E> first = h.next;// 将头节点的下一个节点赋值给first
        h.next = h; // 将当前将要出队的节点置null（为了使其做head节点做准备）
        head = first;// 将当前将要出队的节点作为了头节点
        E x = first.item;// 获取出队节点的值
        first.item = null;// 将出队节点的值置空
        return x;
    }

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，直到队列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,，如果队列已满，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、三种出队对比：

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，直到队列不为空或者线程被中断-->阻塞
poll(long timeout, TimeUnit unit)：如果队列不空，出队；如果队列已空且已经超时，返回null；如果队列已空且时间未超时，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

4、ArrayBlockingQueue与LinkedBlockingQueue对比

ArrayBlockingQueue：
- 一个对象数组+一把锁+两个条件
- 入队与出队都用同一把锁
- 在只有入队高并发或出队高并发的情况下，因为操作数组，且不需要扩容，性能很高
- 采用了数组，必须指定大小，即容量有限
LinkedBlockingQueue：
- 一个单向链表+两把锁+两个条件
- 两把锁，一把用于入队，一把用于出队，有效的避免了入队与出队时使用一把锁带来的竞争。
- 在入队与出队都高并发的情况下，性能比ArrayBlockingQueue高很多
- 采用了链表，最大容量为整数最大值，可看做容量无限

两个疑问：

入队时：c==0是怎样出现的？
出队时：c==capcity是怎样出现的？

一：概念

LinkedBlockingQueue是一个用链表实现的有界阻塞队列。此队列的默认和最大长度为 Integer.MAX_VALUE。此队列按照先进先出的原则对元素进行排序。

与ArrayBlockingQueue的异同：

ArrayBlockingQueue：必须设置长度容量底层数组结构单锁控制

LinkedBlockingQueue：默认Integer最大值底层链表结构双锁

二：LinkedBlockingQueue源码实现

不设置容量，默认为Integer的最大值

也支持设置容量

也支持预先将集合设置入队列

两把锁，一个take锁，控制消费者并发，一个put锁，控制生产者并发：

内部维护单向链表结构：

来看一下主要方法：offer与poll

offer方法：

如果e为null或者对列已满，返回false，然后加锁，其他的生产者会被阻塞，再次判断如果对列里面元素数量小于容量，那么入队，对列的数量也自加，

如果这时对列仍然有空间，会唤醒正在等待的其他生产者，向对列里面放数据。

public boolean offer(E e) {
       if (e == null) throw new NullPointerException();
       final AtomicInteger count = this.count;
       if (count.get() == capacity)
           return false;
       int c = -1;
       Node<E> node = new Node<E>(e);
       final ReentrantLock putLock = this.putLock;
       putLock.lock();
       try {
           if (count.get() < capacity) {
               enqueue(node);
               c = count.getAndIncrement();
               if (c + 1 < capacity)
                   notFull.signal();
           }
       } finally {
           putLock.unlock();
       }
       if (c == 0)
           signalNotEmpty();
       return c >= 0;
   }

入队方法：

如果是第一次放入数据，效果图：

主要是建立两个连接，让最后一个元素last指向新来的元素，然后将last指针指向新来的。

再来看一下poll方法：取数据

如果对列为空，返回null ，然后加锁，其他想取数据的消费者线程会被阻塞，如果没有数据释放锁，返回null，对列有数据，则出队，对列自减，

如果出队后对列中还有数据，那么会唤醒正在等待的其他消费者线程来取数据。

public E poll() {
       final AtomicInteger count = this.count;
       if (count.get() == 0)
           return null;
       E x = null;
       int c = -1;
       final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
       takeLock.lock();
       try {
           if (count.get() > 0) {
               x = dequeue();
               c = count.getAndDecrement();
               if (c > 1)
                   notEmpty.signal();
           }
       } finally {
           takeLock.unlock();
       }
       if (c == capacity)
           signalNotFull();
       return x;
   }

出队方法：

返回first的item元素，这个链表的头结点维护的都是空节点，效果图如下：

出队前：

出队后：

add 和remove：

add方法：直接使用父类AbstractQueue的方法：

在offer的基础上进行了保证，成功返回true，false的时候返回异常。

remove方法：

两把锁同时上锁，两把锁同时解锁：

来看一下删除元素的动作：因为数据结构是链表，所以只需要把指向该节点的上一个节点的next变量不指向该节点即可，然后

gc的时候就会把该节点回收掉：

trial.next = p.next 的作用就是让p节点的前一个元素直接指向p的后一个元素，而数组结构就是把该下标置为null object[takeIndex] == null

put和take方法：

put方法：

public void put(E e) throws InterruptedException {
       if (e == null) throw new NullPointerException();
       // Note: convention in all put/take/etc is to preset local var
       // holding count negative to indicate failure unless set.
       int c = -1;
       Node<E> node = new Node<E>(e);
       final ReentrantLock putLock = this.putLock;
       final AtomicInteger count = this.count;
       putLock.lockInterruptibly();
       try {
           /*
            * Note that count is used in wait guard even though it is
            * not protected by lock. This works because count can
            * only decrease at this point (all other puts are shut
            * out by lock), and we (or some other waiting put) are
            * signalled if it ever changes from capacity. Similarly
            * for all other uses of count in other wait guards.
            */
           while (count.get() == capacity) {
               notFull.await();
           }
           enqueue(node);
           c = count.getAndIncrement();
           if (c + 1 < capacity)
               notFull.signal();
       } finally {
           putLock.unlock();
       }
       if (c == 0)
           signalNotEmpty();
   }

take方法：

take方法的判断逻辑与poll基本相同，唯一区别是，如果对列没有元素，take为阻塞消费者线程，而poll会返回false。

public E take() throws InterruptedException {
        E x;
        int c = -1;
        final AtomicInteger count = this.count;
        final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
        takeLock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count.get() == 0) {
                notEmpty.await();
            }
            x = dequeue();
            c = count.getAndDecrement();
            if (c > 1)
                notEmpty.signal();
        } finally {
            takeLock.unlock();
        }
        if (c == capacity)
            signalNotFull();
        return x;
    }

posted @ 2021-06-19 22:27 hanease 阅读(95) 评论(0) 编辑收藏举报

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第七章 LinkedBlockingQueue源码解析

一：概念

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