Java多线程进阶（三二）—— J.U.C之collections框架：ArrayBlockingQueue

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一、ArrayBlockingQueue简介

ArrayBlockingQueue是在JDK1.5时，随着J.U.C包引入的一种阻塞队列，它实现了BlockingQueue接口，底层基于数组实现：

ArrayBlockingQueue是一种有界阻塞队列，在初始构造的时候需要指定队列的容量。具有如下特点：

1. 队列的容量一旦在构造时指定，后续不能改变；
2. 插入元素时，在队尾进行；删除元素时，在队首进行；
3. 队列满时，调用特定方法插入元素会阻塞线程；队列空时，删除元素也会阻塞线程；
4. 支持公平/非公平策略，默认为非公平策略。

这里的公平策略，是指当线程从阻塞到唤醒后，以最初请求的顺序（FIFO）来添加或删除元素；非公平策略指线程被唤醒后，谁先抢占到锁，谁就能往队列中添加/删除顺序，是随机的。

二、ArrayBlockingQueue原理

构造

ArrayBlockingQueue提供了三种构造器：

/**
 * 指定队列初始容量的构造器.
 */
public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
    this(capacity, false);
}

/**
 * 指定队列初始容量和公平/非公平策略的构造器.
 */
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
    if (capacity <= 0)
        throw new IllegalArgumentException();

    this.items = new Object[capacity];
    lock = new ReentrantLock(fair);     // 利用独占锁的策略
   notEmpty = lock.newCondition();
    notFull = lock.newCondition();
}

/**
 * 根据已有集合构造队列
 */
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair, Collection<? extends E> c) {
    this(capacity, fair);

    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();    // 这里加锁是用于保证items数组的可见性
    try {
        int i = 0;
        try {
            for (E e : c) {
                checkNotNull(e);    // 不能有null元素
                items[i++] = e;
            }
        } catch (ArrayIndexOutOfBoundsException ex) {
            throw new IllegalArgumentException();
        }
        count = i;
        putIndex = (i == capacity) ? 0 : i;     // 如果队列已满，则重置puIndex索引为0
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

核心就是第二种构造器，从构造器也可以看出，ArrayBlockingQueue在构造时就指定了内部数组的大小，并通过ReentrantLock来保证并发环境下的线程安全。

ArrayBlockingQueue的公平/非公平策略其实就是内部ReentrantLock对象的策略，此外构造时还创建了两个Condition对象。在队列满时，插入线程需要在notFull上等待；当队列空时，删除线程会在notEmpty上等待：

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

    /**
     * 内部数组
     */
    final Object[] items;

    /**
     * 下一个待删除位置的索引: take, poll, peek, remove方法使用
     */
    int takeIndex;

    /**
     * 下一个待插入位置的索引: put, offer, add方法使用
     */
    int putIndex;

    /**
     * 队列中的元素个数
     */
    int count;

    /**
     * 全局锁
     */
    final ReentrantLock lock;

    /**
     * 非空条件队列：当队列空时，线程在该队列等待获取
     */
    private final Condition notEmpty;

    /**
     * 非满条件队列：当队列满时，线程在该队列等待插入
     */
    private final Condition notFull;

    //...
}

---

核心方法

ArrayBlockingQueue会阻塞线程的方法一共4个：put(E e)、offer(e, time, unit)和take()、poll(time, unit)，我们先来看插入元素的方法。

插入元素——put(E e)

插入元素的逻辑很简单，用ReentrantLock来保证线程安全，当队列满时，则调用线程会在notFull条件队列上等待，否则就调用enqueue方法入队。

/**
 * 在队尾插入指定元素，如果队列已满，则阻塞线程.
 */
public void put(E e) throws InterruptedException {
    checkNotNull(e);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();   // 加锁
    try {
        while (count == items.length)   // 队列已满。这里必须用while，防止虚假唤醒
            notFull.await();            // 在notFull队列上等待
        enqueue(e);                     // 队列未满, 直接入队
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

这里需要注意一点，队列已满的时候，是通过while循环判断的,这其实是多线程设计模式中的Guarded Suspension模式：

while (count == items.length)   // 队列已满。这里必须用while，防止虚假唤醒
    notFull.await();            // 在notFull队列上等待

之所以这样做，是防止线程被意外唤醒，不经再次判断就直接调用enqueue方法。

enqueue方法：

private void enqueue(E x) {
    final Object[] items = this.items;
    items[putIndex] = x;
    if (++putIndex == items.length)     // 队列已满,则重置索引为0
        putIndex = 0;
    count++;                            // 元素个数+1
    notEmpty.signal();                  // 唤醒一个notEmpty上的等待线程(可以来队列取元素了)
}

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删除元素——take()

删除元素的逻辑和插入元素类似，区别就是：删除元素时，如果队列空了，则线程需要在notEmpty条件队列上等待。

/**
 * 从队首删除一个元素, 如果队列为空, 则阻塞线程
 */
public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        while (count == 0)      // 队列为空, 则线程在notEmpty条件队列等待
            notEmpty.await();
        return dequeue();       // 队列非空，则出队一个元素
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

队列非空时，调用dequeue方法出队一个元素：

private E dequeue() {
    final Object[] items = this.items;
    E x = (E) items[takeIndex];
    items[takeIndex] = null;
    if (++takeIndex == items.length)    // 如果队列已空
        takeIndex = 0;
    count--;
    if (itrs != null)
        itrs.elementDequeued();
    notFull.signal();                   // 唤醒一个notFull上的等待线程(可以插入元素到队列了)
    return x;
}

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环形队列

从上面的入队/出队操作，可以看出，ArrayBlockingQueue的内部数组其实是一种环形结构。

假设ArrayBlockingQueue的容量大小为6，我们来看下整个入队过程：

①初始时

②插入元素“9”

③插入元素“2”、“10”、“25”、“93”

④插入元素“90”

注意，此时再插入一个元素“90”，则putIndex变成6，等于队列容量6，由于是循环队列，所以会将takeIndex重置为0：

这是队列已经满了（count==6），如果再有线程尝试插入元素，并不会覆盖原有值，而是被阻塞。

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我们再来看下出队过程：

①出队元素“9”

②出队元素“2”、“10”、“25”、“93”

③出队元素“90”

注意，此时再出队一个元素“90”，则takeIndex变成6，等于队列容量6，由于是循环队列，所以会将takeIndex重置为0：

这是队列已经空了（count==0），如果再有线程尝试出队元素，则会被阻塞。

三、总结

ArrayBlockingQueue利用了ReentrantLock来保证线程的安全性，针对队列的修改都需要加全局锁。在一般的应用场景下已经足够。对于超高并发的环境，由于生产者-消息者共用一把锁，可能出现性能瓶颈。

另外，由于ArrayBlockingQueue是有界的，且在初始时指定队列大小，所以如果初始时需要限定消息队列的大小，则ArrayBlockingQueue 比较合适。后续，我们会介绍另一种基于单链表实现的阻塞队列——LinkedBlockingQueue，该队列的最大特点是使用了“两把锁”，以提升吞吐量。