LinkedBlockingQueue
- LinkedBlockingQueue是一个基于已链接节点的，范围任意的blocking queue
- 此队列按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
- 链接队列的吞吐量通常要高于基于数组的对列（ArrayBlockingQueue）,但是在大多数并发应用程序中，其可预知的性能要低
- 可选的容量范围构造方法参数作为防止队列过度扩展的一种方法，如果未指定容量，则等于Integer.MAX_VALUE，除非插入节点会使队列超出容量，否则每次插入后会动态地创建链接节点
public class LinkedBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E> implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
BlockingQueue的核心方法：
放入数据：
offer(anObject):表示如果可能的话,将anObject加到BlockingQueue里,即如果BlockingQueue可以容纳,
则返回true,否则返回false.（本方法不阻塞当前执行方法的线程）
offer(E o, long timeout, TimeUnit unit),可以设定等待的时间，如果在指定的时间内，还不能往队列中
加入BlockingQueue，则返回失败。
put(anObject):把anObject加到BlockingQueue里,如果BlockQueue没有空间,则调用此方法的线程被阻断
直到BlockingQueue里面有空间再继续.
获取数据：
poll(time):取走BlockingQueue里排在首位的对象,若不能立即取出,则可以等time参数规定的时间,
取不到时返回null;
poll(long timeout, TimeUnit unit)：从BlockingQueue取出一个队首的对象，如果在指定时间内，
队列一旦有数据可取，则立即返回队列中的数据。否则知道时间超时还没有数据可取，返回失败。
take():取走BlockingQueue里排在首位的对象,若BlockingQueue为空,阻断进入等待状态直到
BlockingQueue有新的数据被加入;
drainTo():一次性从BlockingQueue获取所有可用的数据对象（还可以指定获取数据的个数），
通过该方法，可以提升获取数据效率；不需要多次分批加锁或释放锁。
放入数据：
offer(anObject):表示如果可能的话,将anObject加到BlockingQueue里,即如果BlockingQueue可以容纳,
则返回true,否则返回false.（本方法不阻塞当前执行方法的线程）
offer(E o, long timeout, TimeUnit unit),可以设定等待的时间，如果在指定的时间内，还不能往队列中
加入BlockingQueue，则返回失败。
put(anObject):把anObject加到BlockingQueue里,如果BlockQueue没有空间,则调用此方法的线程被阻断
直到BlockingQueue里面有空间再继续.
获取数据：
poll(time):取走BlockingQueue里排在首位的对象,若不能立即取出,则可以等time参数规定的时间,
取不到时返回null;
poll(long timeout, TimeUnit unit)：从BlockingQueue取出一个队首的对象，如果在指定时间内，
队列一旦有数据可取，则立即返回队列中的数据。否则知道时间超时还没有数据可取，返回失败。
take():取走BlockingQueue里排在首位的对象,若BlockingQueue为空,阻断进入等待状态直到
BlockingQueue有新的数据被加入;
drainTo():一次性从BlockingQueue获取所有可用的数据对象（还可以指定获取数据的个数），
通过该方法，可以提升获取数据效率；不需要多次分批加锁或释放锁。
Node
我们可以发现LinkedBlockingQueue在入队列和出队列时使用的不是同一个Lock，这也意味着它们之间的操作不会存在互斥操作。在多个CPU的情况下，它们可以做到真正的在同一时刻既消费、又生产，能够做到并行处理。
// 所有的元素都通过Node这个静态内部类来进行存储，这与LinkedList的处理方式完全一样 static class Node<E> { //使用item来保存元素本身 E item; //保存当前节点的后继节点 Node<E> next; Node(E x) { item = x; } } /** 阻塞队列所能存储的最大容量 用户可以在创建时手动指定最大容量,如果用户没有指定最大容量 那么最默认的最大容量为Integer.MAX_VALUE. */ private final int capacity; /** 当前阻塞队列中的元素数量 PS:如果你看过ArrayBlockingQueue的源码,你会发现 ArrayBlockingQueue底层保存元素数量使用的是一个 普通的int类型变量。其原因是在ArrayBlockingQueue底层 对于元素的入队列和出队列使用的是同一个lock对象。而数 量的修改都是在处于线程获取锁的情况下进行操作，因此不 会有线程安全问题。 而LinkedBlockingQueue却不是，它的入队列和出队列使用的是两个 不同的lock对象,因此无论是在入队列还是出队列，都会涉及对元素数 量的并发修改，(之后通过源码可以更加清楚地看到)因此这里使用了一个原子操作类 来解决对同一个变量进行并发修改的线程安全问题。 */ private final AtomicInteger count = new AtomicInteger(0); /** * 链表的头部 * LinkedBlockingQueue的头部具有一个不变性: * 头部的元素总是为null，head.item==null */ private transient Node<E> head; /** * 链表的尾部 * LinkedBlockingQueue的尾部也具有一个不变性: * 即last.next==null */ private transient Node<E> last; /** 元素出队列时线程所获取的锁 当执行take、poll等操作时线程需要获取的锁 */ private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock(); /** 当队列为空时，通过该Condition让从队列中获取元素的线程处于等待状态 */ private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition(); /** 元素入队列时线程所获取的锁 当执行add、put、offer等操作时线程需要获取锁 */ private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock(); /** 当队列的元素已经达到capactiy，通过该Condition让元素入队列的线程处于等待状态 */ private final Condition notFull = putLock.newCondition();
构造方法
/** * 如果用户没有显示指定capacity的值，默认使用int的最大值 */ public LinkedBlockingQueue() { this(Integer.MAX_VALUE); } /** 可以看到,当队列中没有任何元素的时候,此时队列的头部就等于队列的尾部, 指向的是同一个节点,并且元素的内容为null */ public LinkedBlockingQueue(int capacity) { if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException(); this.capacity = capacity; last = head = new Node<E>(null); } /* 在初始化LinkedBlockingQueue的时候，还可以直接将一个集合 中的元素全部入队列，此时队列最大容量依然是int的最大值。 */ public LinkedBlockingQueue(Collection<? extends E> c) { this(Integer.MAX_VALUE); final ReentrantLock putLock = this.putLock; //获取锁 putLock.lock(); // Never contended, but necessary for visibility try { //迭代集合中的每一个元素,让其入队列,并且更新一下当前队列中的元素数量 int n = 0; for (E e : c) { if (e == null) throw new NullPointerException(); if (n == capacity) throw new IllegalStateException("Queue full"); //参考下面的enqueue分析 enqueue(new Node<E>(e)); ++n; } count.set(n); } finally { //释放锁 putLock.unlock(); } } /** * 我去，这代码其实可读性不怎么样啊。 * 其实下面的代码等价于如下内容: * last.next=node; * last = node; * 其实也没有什么花样: 就是让新入队列的元素成为原来的last的next，让进入的元素称为last * */ private void enqueue(Node<E> node) { // assert putLock.isHeldByCurrentThread(); // assert last.next == null; last = last.next = node; }
put
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 /*注意上面这句话,约定所有的put/take操作都会预先设置本地变量, 可以看到下面有一个将putLock赋值给了一个局部变量的操作 */ int c = -1; Node<E> node = new Node(e); /* 在这里首先获取到putLock,以及当前队列的元素数量 即上面所描述的预设置本地变量操作 */ final ReentrantLock putLock = this.putLock; final AtomicInteger count = this.count; /* 执行可中断的锁获取操作,即意味着如果线程由于获取 锁而处于Blocked状态时，线程是可以被中断而不再继 续等待，这也是一种避免死锁的一种方式，不会因为 发现到死锁之后而由于无法中断线程最终只能重启应用。 */ putLock.lockInterruptibly(); try { /* 当队列的容量到底最大容量时,此时线程将处于等待状 态，直到队列有空闲的位置才继续执行。使用while判 断依旧是为了放置线程被"伪唤醒”而出现的情况,即当 线程被唤醒时而队列的大小依旧等于capacity时，线 程应该继续等待。 */ while (count.get() == capacity) { notFull.await(); } //让元素进行队列的末尾,enqueue代码在上面分析过了 enqueue(node); //首先获取原先队列中的元素个数,然后再对队列中的元素个数+1. c = count.getAndIncrement(); /*注:c+1得到的结果是新元素入队列之后队列元素的总和。 当前队列中的总元素个数小于最大容量时,此时唤醒其他执行入队列的线程 让它们可以放入元素,如果新加入元素之后,队列的大小等于capacity， 那么就意味着此时队列已经满了,也就没有必须要唤醒其他正在等待入队列的线程,因为唤醒它们之后，它们也还是继续等待。 */ if (c + 1 < capacity) notFull.signal(); } finally { //完成对锁的释放 putLock.unlock(); } /*当c=0时，即意味着之前的队列是空队列,出队列的线程都处于等待状态， 现在新添加了一个新的元素,即队列不再为空,因此它会唤醒正在等待获取元素的线程。 */ if (c == 0) signalNotEmpty(); } /* 唤醒正在等待获取元素的线程,告诉它们现在队列中有元素了 */ private void signalNotEmpty() { final ReentrantLock takeLock = this.takeLock; takeLock.lock(); try { //通过notEmpty唤醒获取元素的线程 notEmpty.signal(); } finally { takeLock.unlock(); } }
offer
/** 在BlockingQueue接口中除了定义put方法外(当队列元素满了之后就会阻塞， 直到队列有新的空间可以方法线程才会继续执行)，还定义一个offer方法， 该方法会返回一个boolean值，当入队列成功返回true,入队列失败返回false。 该方法与put方法基本操作基本一致，只是有细微的差异。 */ public boolean offer(E e) { if (e == null) throw new NullPointerException(); final AtomicInteger count = this.count; /* 当队列已经满了，它不会继续等待,而是直接返回。 因此该方法是非阻塞的。 */ if (count.get() == capacity) return false; int c = -1; Node<E> node = new Node(e); final ReentrantLock putLock = this.putLock; putLock.lock(); try { /* 当获取到锁时，需要进行二次的检查,因为可能当队列的大小为capacity-1时， 两个线程同时去抢占锁，而只有一个线程抢占成功，那么此时 当线程将元素入队列后，释放锁，后面的线程抢占锁之后，此时队列 大小已经达到capacity，所以将它无法让元素入队列。 下面的其余操作和put都一样，此处不再详述 */ 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; }
限时等待插入
在等待一定的时间内，如果队列有空间可以插入，那么就将元素入队列，然后返回true,如果在过完指定的时间后依旧没有空间可以插入，那么就返回false
通过获取到putLock锁来完成，当队列的数量达到最大值，此时会导致线程处于阻塞状态或者返回false(根据具体的方法来看)；如果队列还有剩余的空间，那么此时会新创建出一个Node对象，将其设置到队列的尾部，作为LinkedBlockingQueue的last元素
/** 通过timeout和TimeUnit来指定等待的时长 timeout为时间的长度,TimeUnit为时间的单位 */ public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { if (e == null) throw new NullPointerException(); //将指定的时间长度转换为毫秒来进行处理 long nanos = unit.toNanos(timeout); int c = -1; final ReentrantLock putLock = this.putLock; final AtomicInteger count = this.count; putLock.lockInterruptibly(); try { while (count.get() == capacity) { //如果等待的剩余时间小于等于0，那么直接返回 if (nanos <= 0) return false; /* 通过condition来完成等待，此时当前线程会完成锁的，并且处于等待状态 直到被其他线程唤醒该线程、或者当前线程被中断、 等待的时间截至才会返回，该返回值为从方法调用到返回所经历的时长。 注意：上面的代码是condition的awitNanos()方法的通用写法， 可以参看Condition.awaitNaos的API文档。 下面的其余操作和put都一样，此处不再详述 */ nanos = notFull.awaitNanos(nanos); } enqueue(new Node<E>(e)); c = count.getAndIncrement(); if (c + 1 < capacity) notFull.signal(); } finally { putLock.unlock(); } if (c == 0) signalNotEmpty(); return true; }
take
public E take() throws InterruptedException { E x; int c = -1; final AtomicInteger count = this.count; final ReentrantLock takeLock = this.takeLock; //通过takeLock获取锁，并且支持线程中断 takeLock.lockInterruptibly(); try { //当队列为空时，则让当前线程处于等待 while (count.get() == 0) { notEmpty.await(); } //完成元素的出队列 x = dequeue(); /* 队列元素个数完成原子化操作-1,可以看到count元素会 在插入元素的线程和获取元素的线程进行并发修改操作。 */ c = count.getAndDecrement(); /* 当一个元素出队列之后，队列的大小依旧大于1时 当前线程会唤醒其他执行元素出队列的线程,让它们也 可以执行元素的获取 */ if (c > 1) notEmpty.signal(); } finally { //完成锁的释放 takeLock.unlock(); } /* 当c==capaitcy时，即在获取当前元素之前， 队列已经满了，而此时获取元素之后，队列就会 空出一个位置，故当前线程会唤醒执行插入操作的线 程通知其他中的一个可以进行插入操作。 */ if (c == capacity) signalNotFull(); return x; } /** * 让头部元素出队列的过程 * 其最终的目的是让原来的head被GC回收，让其的next成为head * 并且新的head的item为null. * 因为LinkedBlockingQueue的头部具有一致性:即元素为null。 */ private E dequeue() { Node<E> h = head; Node<E> first = h.next; h.next = h; // help GC head = first; E x = first.item; first.item = null; return x; }
LinkedBlockingQueue与ArrayBlockingQueue的比较
ArrayBlockingQueue由于其底层基于数组，并且在创建时指定存储的大小，在完成后就会立即在内存分配固定大小容量的数组元素，因此其存储通常有限，故其是一个“有界“的阻塞队列；而LinkedBlockingQueue可以由用户指定最大存储容量，也可以无需指定，如果不指定则最大存储容量将是Integer.MAX_VALUE，即可以看作是一个“无界”的阻塞队列，由于其节点的创建都是动态创建，并且在节点出队列后可以被GC所回收，因此其具有灵活的伸缩性。但是由于ArrayBlockingQueue的有界性，因此其能够更好的对于性能进行预测，而LinkedBlockingQueue由于没有限制大小，当任务非常多的时候，不停地向队列中存储，就有可能导致内存溢出的情况发生。
其次，ArrayBlockingQueue中在入队列和出队列操作过程中，使用的是同一个lock，所以即使在多核CPU的情况下，其读取和操作的都无法做到并行，而LinkedBlockingQueue的读取和插入操作所使用的锁是两个不同的lock，它们之间的操作互相不受干扰，因此两种操作可以并行完成，故LinkedBlockingQueue的吞吐量要高于ArrayBlockingQueue。
JDK中选用LinkedBlockingQueue作为阻塞队列的原因就在于其无界性。因为线程大小固定的线程池，其线程的数量是不具备伸缩性的，当任务非常繁忙的时候，就势必会导致所有的线程都处于工作状态，如果使用一个有界的阻塞队列来进行处理，那么就非常有可能很快导致队列满的情况发生，从而导致任务无法提交而抛出RejectedExecutionException，而使用无界队列由于其良好的存储容量的伸缩性，可以很好的去缓冲任务繁忙情况下场景，即使任务非常多，也可以进行动态扩容，当任务被处理完成之后，队列中的节点也会被随之被GC回收，非常灵活。
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