LinkedBlockingQueue

       LinkedBlockingQueue是一个单向链表实现的阻塞队列。该队列按 FIFO（先进先出）排序元素，新元素插入到队列的尾部，并且队列获取操作会获得位于队列头部的元素。LinkedBlockingQueue内部分别使用了takeLock 和 putLock 对并发进行控制，也就是说，添加和删除操作并不是互斥操作，可以同时进行，这样也就可以大大提高吞吐量。链表队列的吞吐量通常要高于基于数组的队列，但是在大多数并发应用程序中，其可预知的性能要低

      此外，LinkedBlockingQueue还是可选容量的(防止过度膨胀)，即可以指定队列的容量。如果不指定，默认容量大小等于Integer.MAX_VALUE

      LinkedBlockingQueue的数据结构，如下图所示：

      

说明：
1. LinkedBlockingQueue继承于AbstractQueue，本质上是一个FIFO(先进先出)的队列
2. LinkedBlockingQueue实现BlockingQueue接口，支持多线程并发。当多线程竞争同一个资源时，某线程获取到该资源之后，其它线程需要阻塞等待。
3. LinkedBlockingQueue是通过单链表实现的。
(01) head是链表的表头。取出数据时，都是从表头head处获取。
(02) last是链表的表尾。新增数据时，都是从表尾last处插入。
(03) count是链表的实际大小，即当前链表中包含的节点个数。
(04) capacity是列表的容量，它是在创建链表时指定的。
(05) putLock是插入锁，takeLock是取出锁；notEmpty是“非空条件”，notFull是“未满条件”。通过它们对链表进行并发控制。
       LinkedBlockingQueue在实现“多线程对竞争资源的互斥访问”时，对于“插入”和“取出(删除)”操作分别使用了不同的锁。对于插入操作，通过“插入锁putLock”进行同步；对于取出操作，通过“取出锁takeLock”进行同步。
       插入锁putLock和“非满条件notFull”相关联，取出锁takeLock和“非空条件notEmpty”相关联。通过notFull和notEmpty更细腻的控制锁。

  -- 若某线程(线程A)要取出数据时，队列正好为空，则该线程会执行notEmpty.await()进行等待；当其它某个线程(线程B)向队列中插入了数据之后，会调用notEmpty.signal()
     唤醒“notEmpty上的等待线程”。此时，线程A会被唤醒从而得以继续运行。 此外，线程A在执行取操作前，会获取takeLock，在取操作执行完毕再释放takeLock。
  -- 若某线程(线程H)要插入数据时，队列已满，则该线程会它执行notFull.await()进行等待；当其它某个线程(线程I)取出数据之后，会调用notFull.signal()唤醒“notFull上
     的等待线程”。此时，线程H就会被唤醒从而得以继续运行。 此外，线程H在执行插入操作前，会获取putLock，在插入操作执行完毕才释放putLock。

以LinkedBlockingQueue(int capacity)来进行说明

public LinkedBlockingQueue(int capacity) {
    if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
    this.capacity = capacity;
    last = head = new Node<E>(null);
}

说明：
(01) capacity是“链式阻塞队列”的容量。
(02) head和last是“链式阻塞队列”的首节点和尾节点。

head头结节点在初始化时是本身不带数据的，仅仅作为头部head方便我们执行链表的相关操作。

它们在LinkedBlockingQueue中的声明如下：

//容量
private final int capacity;
// 当前数量
private final AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
private transient Node<E> head; // 链表的表头
private transient Node<E> last; // 链表的表尾
// 用于控制“删除元素”的互斥锁takeLock 和 锁对应的“非空条件”notEmpty
private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();
//notEmpty条件对象，当队列没有数据时用于挂起执行删除的线程
private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();


// 用于控制“添加元素”的互斥锁putLock 和 锁对应的“非满条件”notFull
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();
// notFull条件对象，当队列数据已满时用于挂起执行添加的线程
private final Condition notFull = putLock.newCondition();

 链表的节点定义如下：

static class Node<E> {
    E item;         // 数据
    Node<E> next;   // 下一个节点的指针

    Node(E x) { item = x; }
}

offer(E e)为例，对LinkedBlockingQueue的添加方法进行说明

public boolean offer(E e) {
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    // 如果“队列已满”，则返回false，表示插入失败。
    final AtomicInteger count = this.count;
    if (count.get() == capacity)
        return false;
    int c = -1;
    // 新建“节点e”
    Node<E> node = new Node(e);
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    // 获取“插入锁putLock”
    putLock.lock();
    try {
        // 再次对“队列是不是满”的进行判断。
        // 若“队列未满”，则插入节点。
        if (count.get() < capacity) {
            // 插入节点
            enqueue(node);
            // 将“当前节点数量”+1，并返回“原始的数量”
            c = count.getAndIncrement();
            // 如果在插入元素之后，队列仍然未满，则唤醒notFull上的等待线程。
            if (c + 1 < capacity)
                notFull.signal();
        }
    } finally {
        // 释放“插入锁putLock”
        putLock.unlock();
    }
    // 如果在插入节点前，队列为空；则插入节点后，唤醒notEmpty上的等待线程
    if (c == 0)
        signalNotEmpty();
    return c >= 0;
}

       LinkedBlockingQueue其内部对添加线程和消费线程分别使用了各自的ReenterLock锁对并发进行控制，也就是说添加线程和消费线程是不会互斥的，所以添加锁只要管好自己的添加线程即可，添加线程自己直接唤醒自己的其他添加线程，如果没有等待的添加线程，直接结束了。如果有就直到队列元素已满才结束挂起，当然offer方法并不会挂起，而是直接结束，只有put方法才会当队列满时才执行挂起操作

说明：offer()的作用很简单，就是将元素E添加到队列的末尾。

enqueue()的源码如下：

private void enqueue(Node<E> node) {
    // assert putLock.isHeldByCurrentThread();
    // assert last.next == null;
    last = last.next = node;
}

enqueue()的作用是将node添加到队列末尾，并设置node为新的尾节点！

signalNotEmpty()的源码如下：

private void signalNotEmpty() {
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    takeLock.lock();
    try {
        notEmpty.signal();
    } finally {
        takeLock.unlock();
    }
}

signalNotEmpty()的作用是唤醒notEmpty上的等待线程

 

 以take()为例，对LinkedBlockingQueue的取出方法进行说明

public E take() throws InterruptedException {
    E x;
    int c = -1;
    final AtomicInteger count = this.count;
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    // 获取“取出锁”，若当前线程是中断状态，则抛出InterruptedException异常
    takeLock.lockInterruptibly();
    try {
        // 若“队列为空”，则一直等待。
        while (count.get() == 0) {
            notEmpty.await();
        }
        // 取出元素
        x = dequeue();
        // 取出元素之后，将“节点数量”-1；并返回“原始的节点数量”。
        c = count.getAndDecrement();
        if (c > 1)
            notEmpty.signal();
    } finally {
        // 释放“取出锁”
        takeLock.unlock();
    }
    // 如果在“取出元素之前”，队列是满的；则在取出元素之后，唤醒notFull上的等待线程。
    if (c == capacity)
        signalNotFull();
    return x;
}

 说明：take()的作用是取出并返回队列的头。若队列为空，则一直等待。

take方法是一个可阻塞可中断的移除方法，主要做了两件事，一是，如果队列没有数据就挂起当前线程到 notEmpty条件对象的等待队列中一直等待，如果有数据就删除节点并返回数据项，同时唤醒后续消费线程，二是尝试唤醒条件对象notFull上等待队列中的添加线程。其中只有take方法具备阻塞功能。remove方法则是成功返回true失败返回false，poll方法成功返回被移除的值，失败或没数据返回null

dequeue()的源码如下：

private E dequeue() {
    // assert takeLock.isHeldByCurrentThread();
    // assert head.item == null;
    Node<E> h = head;
    Node<E> first = h.next;
    h.next = h; // help GC
    head = first;
    E x = first.item;
    first.item = null;//清空数据，因为first变成头结点是不能带数据的，这样也就删除队列的带数据的第一个节点
    return x;
}

dequeue()的作用就是删除队列的头节点，并将表头指向“原头节点的下一个节点”。

signalNotFull()的源码如下：

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

signalNotFull()的作用就是唤醒notFull上的等待线程。

remove方法删除指定的对象，这里我们可能会诧异，为什么同时对putLock和takeLock加锁？这是因为remove方法删除的数据的位置不确定，为了避免造成并非安全问题，

所以需要对2个锁同时加锁。

peek返回直接获取头结点的下一个节点返回其值，如果没有值就返回null，有值就返回节点对应的值。element方法内部调用的是peek，有数据就返回，没数据就抛异常

public boolean remove(Object o) {
   if (o == null) return false;
     fullyLock();//同时对putLock和takeLock加锁
     try {
         //循环查找要删除的元素
         for (Node<E> trail = head, p = trail.next;
              p != null;
              trail = p, p = p.next) {
             if (o.equals(p.item)) {//找到要删除的节点
                 unlink(p, trail);//直接删除
                 return true;
             }
         }
         return false;
     } finally {
         fullyUnlock();//解锁
     }
    }

//两个同时加锁
void fullyLock() {
       putLock.lock();
       takeLock.lock();
   }

void fullyUnlock() {
      takeLock.unlock();
      putLock.unlock();
  }


public E element() {
        E x = peek();//直接调用peek
        if (x != null)
            return x;
        else
            throw new NoSuchElementException();//没数据抛异常
    }

 public E peek() {
        if (count.get() == 0)
            return null;
        final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
        takeLock.lock();
        try {
            //获取头结节点的下一个节点
            Node<E> first = head.next;
            if (first == null)
                return null;//为null就返回null
            else
                return first.item;//返回值
        } finally {
            takeLock.unlock();
        }
    }

 

LinkedBlockingQueue和ArrayBlockingQueue迥异

通过上述的分析，对于LinkedBlockingQueue和ArrayBlockingQueue的基本使用以及内部实现原理我们已较为熟悉了，这里我们就对它们两间的区别来个小结

1.队列大小有所不同，ArrayBlockingQueue是有界的初始化必须指定大小，而LinkedBlockingQueue可以是有界的也可以是无界的(Integer.MAX_VALUE)，对于后者而言，当添加速度大于移除速度时，在无界的情况下，可能会造成内存溢出等问题。

2.数据存储容器不同，ArrayBlockingQueue采用的是数组作为数据存储容器，而LinkedBlockingQueue采用的则是以Node节点作为连接对象的链表。

3.由于ArrayBlockingQueue采用的是数组的存储容器，因此在插入或删除元素时不会产生或销毁任何额外的对象实例，而LinkedBlockingQueue则会生成一个额外的Node对象。这可能在长时间内需要高效并发地处理大批量数据的时，对于GC可能存在较大影响。

4.两者的实现队列添加或移除的锁不一样，ArrayBlockingQueue实现的队列中的锁是没有分离的，即添加操作和移除操作采用的同一个ReenterLock锁，而LinkedBlockingQueue实现的队列中的锁是分离的，其添加采用的是putLock，移除采用的则是takeLock，这样能大大提高队列的吞吐量，也意味着在高并发的情况下生产者和消费者可以并行地操作队列中的数据，以此来提高整个队列的并发性能。

参考：

http://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3503458.html

https://blog.csdn.net/javazejian/article/details/77410889

 

posted on 2018-10-05 22:26  溪水静幽  阅读(201)  评论(0)    收藏  举报

博客园  ©  2004-2026
浙公网安备 33010602011771号 浙ICP备2021040463号-3