解读 Java 并发队列 BlockingQueue

前言

本文直接参考 Doug Lea 写的 Java doc 和注释，这也是我们在学习 java 并发包时最好的材料了。希望大家能有所思、有所悟，学习 Doug Lea 的代码风格，并将其优雅、严谨的作风应用到我们写的每一行代码中。

BlockingQueue

首先，最基本的来说， BlockingQueue 是一个先进先出的队列（Queue），为什么说是阻塞（Blocking）的呢？是因为 BlockingQueue 支持当获取队列元素但是队列为空时，会阻塞等待队列中有元素再返回；也支持添加元素时，如果队列已满，那么等到队列可以放入新元素时再放入。

BlockingQueue 是一个接口，继承自 Queue，所以其实现类也可以作为 Queue 的实现来使用，而 Queue 又继承自 Collection 接口。

BlockingQueue 对插入操作、移除操作、获取元素操作提供了四种不同的方法用于不同的场景中使用：1、抛出异常；2、返回特殊值（null 或 true/false，取决于具体的操作）；3、阻塞等待此操作，直到这个操作成功；4、阻塞等待此操作，直到成功或者超时指定时间。

对于 BlockingQueue，我们的关注点应该在 put(e) 和 take() 这两个方法，因为这两个方法是带阻塞的。
BlockingQueue 不接受 null 值的插入，相应的方法在碰到 null 的插入时会抛出 NullPointerException 异常。null 值在这里通常用于作为特殊值返回（表格中的第三列），代表 poll 失败。所以，如果允许插入 null 值的话，那获取的时候，就不能很好地用 null 来判断到底是代表失败，还是获取的值就是 null 值。

一个 BlockingQueue 可能是有界的，如果在插入的时候，发现队列满了，那么 put 操作将会阻塞。通常，在这里我们说的无界队列也不是说真正的无界，而是它的容量是 Integer.MAX_VALUE（21亿多）。

BlockingQueue 是设计用来实现生产者-消费者队列的，当然，你也可以将它当做普通的 Collection 来用，前面说了，它实现了 java.util.Collection 接口。例如，我们可以用 remove(x) 来删除任意一个元素，但是，这类操作通常并不高效，所以尽量只在少数的场合使用，比如一条消息已经入队，但是需要做取消操作的时候。

BlockingQueue 的实现都是线程安全的，但是批量的集合操作如 addAll, containsAll, retainAll 和 removeAll 不一定是原子操作。如 addAll(c) 有可能在添加了一些元素后中途抛出异常，此时 BlockingQueue 中已经添加了部分元素，这个是允许的，取决于具体的实现。

BlockingQueue 不支持 close 或 shutdown 等关闭操作，因为开发者可能希望不会有新的元素添加进去，此特性取决于具体的实现，不做强制约束。

最后，BlockingQueue 在生产者-消费者的场景中，是支持多消费者和多生产者的，说的其实就是线程安全问题。

相信上面说的每一句都很清楚了，BlockingQueue 是一个比较简单的线程安全容器，下面我会分析其具体的在 JDK 中的实现，这里又到了 Doug Lea 表演时间了。

BlockingQueue 实现之 ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue 是 BlockingQueue 接口的有界队列实现类，底层采用数组来实现。

其并发控制采用可重入锁来控制，不管是插入操作还是读取操作，都需要获取到锁才能进行操作。
ArrayBlockingQueue 共有以下几个属性：

// 用于存放元素的数组
final Object[] items;
// 下一次读取操作的位置
int takeIndex;
// 下一次写入操作的位置
int putIndex;
// 队列中的元素数量
int count;

// 以下几个就是控制并发用的同步器
final ReentrantLock lock;
private final Condition notEmpty;
private final Condition notFull;

ArrayBlockingQueue 实现并发同步的原理就是，读操作和写操作都需要获取到 AQS 独占锁才能进行操作。如果队列为空，这个时候读操作的线程进入到读线程队列排队，等待写线程写入新的元素，然后唤醒读线程队列的第一个等待线程。如果队列已满，这个时候写操作的线程进入到写线程队列排队，等待读线程将队列元素移除腾出空间，然后唤醒写线程队列的第一个等待线程。

对于 ArrayBlockingQueue，我们可以在构造的时候指定以下三个参数：

1.队列容量，其限制了队列中最多允许的元素个数；
2.指定独占锁是公平锁还是非公平锁。非公平锁的吞吐量比较高，公平锁可以保证每次都是等待最久的线程获取到锁；
3.可以指定用一个集合来初始化，将此集合中的元素在构造方法期间就先添加到队列中。

BlockingQueue 实现之 LinkedBlockingQueue

底层基于单向链表实现的阻塞队列，可以当做无界队列也可以当做有界队列来使用。看构造方法：

// 传说中的无界队列
public LinkedBlockingQueue() {
    this(Integer.MAX_VALUE);
}

// 传说中的有界队列
public LinkedBlockingQueue(int capacity) {
    if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
    this.capacity = capacity;
    last = head = new Node<E>(null);
}

我们看看这个类有哪些属性：

// 队列容量
private final int capacity;

// 队列中的元素数量
private final AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

// 队头
private transient Node<E> head;

// 队尾
private transient Node<E> last;

// take, poll, peek 等读操作的方法需要获取到这个锁
private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();

// 如果读操作的时候队列是空的，那么等待 notEmpty 条件
private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();

// put, offer 等写操作的方法需要获取到这个锁
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();

// 如果写操作的时候队列是满的，那么等待 notFull 条件
private final Condition notFull = putLock.newCondition();

这里用了两个锁，两个 Condition，简单介绍如下：

takeLock 和 notEmpty 怎么搭配：如果要获取（take）一个元素，需要获取 takeLock 锁，但是获取了锁还不够，如果队列此时为空，还需要队列不为空（notEmpty）这个条件（Condition）。

putLock 需要和 notFull 搭配：如果要插入（put）一个元素，需要获取 putLock 锁，但是获取了锁还不够，如果队列此时已满，还需要队列不是满的（notFull）这个条件（Condition）。

首先，这里用一个示意图来看看 LinkedBlockingQueue 的并发读写控制，然后再开始分析源码：

看懂这个示意图，源码也就简单了，读操作是排好队的，写操作也是排好队的，唯一的并发问题在于一个写操作和一个读操作同时进行，只要控制好这个就可以了。

先上构造方法：

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

注意，这里会初始化一个空的头结点，那么第一个元素入队的时候，队列中就会有两个元素。读取元素时，也总是获取头节点后面的一个节点。count 的计数值不包括这个头节点。

我们来看下 put 方法是怎么将元素插入到队尾的：

public void put(E e) throws InterruptedException {
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    // 如果你纠结这里为什么是 -1，可以看看 offer 方法。这就是个标识成功、失败的标志而已。
    int c = -1;
    Node<E> node = new Node(e);
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    final AtomicInteger count = this.count;
    // 必须要获取到 putLock 才可以进行插入操作
    putLock.lockInterruptibly();
    try {
        // 如果队列满，等待 notFull 的条件满足。
        while (count.get() == capacity) {
            notFull.await();
        }
        // 入队
        enqueue(node);
        // count 原子加 1，c 还是加 1 前的值
        c = count.getAndIncrement();
        // 如果这个元素入队后，还有至少一个槽可以使用，调用 notFull.signal() 唤醒等待线程。
        // 哪些线程会等待在 notFull 这个 Condition 上呢？
        if (c + 1 < capacity)
            notFull.signal();
    } finally {
        // 入队后，释放掉 putLock
        putLock.unlock();
    }
    // 如果 c == 0，那么代表队列在这个元素入队前是空的（不包括head空节点），
    // 那么所有的读线程都在等待 notEmpty 这个条件，等待唤醒，这里做一次唤醒操作
    if (c == 0)
        signalNotEmpty();
}

// 入队的代码非常简单，就是将 last 属性指向这个新元素，并且让原队尾的 next 指向这个元素
// 这里入队没有并发问题，因为只有获取到 putLock 独占锁以后，才可以进行此操作
private void enqueue(Node<E> node) {
    // assert putLock.isHeldByCurrentThread();
    // assert last.next == null;
    last = last.next = node;
}

// 元素入队后，如果需要，调用这个方法唤醒读线程来读
private void signalNotEmpty() {
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    takeLock.lock();
    try {
        notEmpty.signal();
    } finally {
        takeLock.unlock();
    }
}

我们再看看 take 方法:

public E take() throws InterruptedException {
    E x;
    int c = -1;
    final AtomicInteger count = this.count;
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    // 首先，需要获取到 takeLock 才能进行出队操作
    takeLock.lockInterruptibly();
    try {
        // 如果队列为空，等待 notEmpty 这个条件满足再继续执行
        while (count.get() == 0) {
            notEmpty.await();
        }
        // 出队
        x = dequeue();
        // count 进行原子减 1
        c = count.getAndDecrement();
        // 如果这次出队后，队列中至少还有一个元素，那么调用 notEmpty.signal() 唤醒其他的读线程
        if (c > 1)
            notEmpty.signal();
    } finally {
        // 出队后释放掉 takeLock
        takeLock.unlock();
    }
    // 如果 c == capacity，那么说明在这个 take 方法发生的时候，队列是满的
    // 既然出队了一个，那么意味着队列不满了，唤醒写线程去写
    if (c == capacity)
        signalNotFull();
    return x;
}
// 取队头，出队
private E dequeue() {
    // assert takeLock.isHeldByCurrentThread();
    // assert head.item == null;
    // 之前说了，头结点是空的
    Node<E> h = head;
    Node<E> first = h.next;
    h.next = h; // help GC
    // 设置这个为新的头结点
    head = first;
    E x = first.item;
    first.item = null;
    return x;
}
// 元素出队后，如果需要，调用这个方法唤醒写线程来写
private void signalNotFull() {
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    putLock.lock();
    try {
        notFull.signal();
    } finally {
        putLock.unlock();
    }
}

BlockingQueue 实现之 SynchronousQueue

它是一个特殊的队列，它的名字其实就蕴含了它的特征 - - 同步的队列。为什么说是同步的呢？这里说的并不是多线程的并发问题，而是因为当一个线程往队列中写入一个元素时，写入操作不会立即返回，需要等待另一个线程来将这个元素拿走；同理，当一个读线程做读操作的时候，同样需要一个相匹配的写线程的写操作。这里的 Synchronous 指的就是读线程和写线程需要同步，一个读线程匹配一个写线程。

我们比较少使用到 SynchronousQueue 这个类，不过它在线程池的实现类 ScheduledThreadPoolExecutor 中得到了应用，感兴趣的读者可以在看完这个后去看看相应的使用。

虽然上面我说了队列，但是 SynchronousQueue 的队列其实是虚的，其不提供任何空间（一个都没有）来存储元素。数据必须从某个写线程交给某个读线程，而不是写到某个队列中等待被消费。

你不能在 SynchronousQueue 中使用 peek 方法（在这里这个方法直接返回 null），peek 方法的语义是只读取不移除，显然，这个方法的语义是不符合 SynchronousQueue 的特征的。SynchronousQueue 也不能被迭代，因为根本就没有元素可以拿来迭代的。虽然 SynchronousQueue 间接地实现了 Collection 接口，但是如果你将其当做 Collection 来用的话，那么集合是空的。当然，这个类也是不允许传递 null 值的（并发包中的容器类好像都不支持插入 null 值，因为 null 值往往用作其他用途，比如用于方法的返回值代表操作失败）。

接下来，我们来看看具体的源码实现吧，它的源码不是很简单的那种，我们需要先搞清楚它的设计思想。

源码加注释大概有 1200 行，我们先看大框架：

// 构造时，我们可以指定公平模式还是非公平模式，区别之后再说
public SynchronousQueue(boolean fair) {
    transferer = fair ? new TransferQueue() : new TransferStack();
}
abstract static class Transferer {
    // 从方法名上大概就知道，这个方法用于转移元素，从生产者手上转到消费者手上
    // 也可以被动地，消费者调用这个方法来从生产者手上取元素
    // 第一个参数 e 如果不是 null，代表场景为：将元素从生产者转移给消费者
    // 如果是 null，代表消费者等待生产者提供元素，然后返回值就是相应的生产者提供的元素
    // 第二个参数代表是否设置超时，如果设置超时，超时时间是第三个参数的值
    // 返回值如果是 null，代表超时，或者中断。具体是哪个，可以通过检测中断状态得到。
    abstract Object transfer(Object e, boolean timed, long nanos);
}

Transferer 有两个内部实现类，是因为构造 SynchronousQueue 的时候，我们可以指定公平策略。公平模式意味着，所有的读写线程都遵守先来后到，FIFO 嘛，对应 TransferQueue。而非公平模式则对应 TransferStack。

我们先采用公平模式分析源码，然后再说说公平模式和非公平模式的区别。

接下来，我们看看 put 方法和 take 方法：

// 写入值
public void put(E o) throws InterruptedException {
    if (o == null) throw new NullPointerException();
    if (transferer.transfer(o, false, 0) == null) { // 1
        Thread.interrupted();
        throw new InterruptedException();
    }
}
// 读取值并移除
public E take() throws InterruptedException {
    Object e = transferer.transfer(null, false, 0); // 2
    if (e != null)
        return (E)e;
    Thread.interrupted();
    throw new InterruptedException();
}

我们看到，写操作 put(E o) 和读操作 take() 都是调用 Transferer.transfer(…) 方法，区别在于第一个参数是否为 null 值。

我们来看看 transfer 的设计思路，其基本算法如下：

当调用这个方法时，如果队列是空的，或者队列中的节点和当前的线程操作类型一致（如当前操作是 put 操作，而队列中的元素也都是写线程）。这种情况下，将当前线程加入到等待队列即可。
如果队列中有等待节点，而且与当前操作可以匹配（如队列中都是读操作线程，当前线程是写操作线程，反之亦然）。这种情况下，匹配等待队列的队头，出队，返回相应数据。
其实这里有个隐含的条件被满足了，队列如果不为空，肯定都是同种类型的节点，要么都是读操作，要么都是写操作。这个就要看到底是读线程积压了，还是写线程积压了。

我们可以假设出一个男女配对的场景：一个男的过来，如果一个人都没有，那么他需要等待；如果发现有一堆男的在等待，那么他需要排到队列后面；如果发现是一堆女的在排队，那么他直接牵走队头的那个女的。

既然这里说到了等待队列，我们先看看其实现，也就是 QNode:

static final class QNode {
    volatile QNode next;          // 可以看出来，等待队列是单向链表
    volatile Object item;         // CAS'ed to or from null
    volatile Thread waiter;       // 将线程对象保存在这里，用于挂起和唤醒
    final boolean isData;         // 用于判断是写线程节点(isData == true)，还是读线程节点

    QNode(Object item, boolean isData) {
        this.item = item;
        this.isData = isData;
    }
  ......

相信说了这么多以后，我们再来看 transfer 方法的代码就轻松多了。

/**
 * Puts or takes an item.
 */
Object transfer(Object e, boolean timed, long nanos) {

    QNode s = null; // constructed/reused as needed
    boolean isData = (e != null);

    for (;;) {
        QNode t = tail;
        QNode h = head;
        if (t == null || h == null)         // saw uninitialized value
            continue;                       // spin

        // 队列空，或队列中节点类型和当前节点一致，
        // 即我们说的第一种情况，将节点入队即可。读者要想着这块 if 里面方法其实就是入队
        if (h == t || t.isData == isData) { // empty or same-mode
            QNode tn = t.next;
            // t != tail 说明刚刚有节点入队，continue 即可
            if (t != tail)                  // inconsistent read
                continue;
            // 有其他节点入队，但是 tail 还是指向原来的，此时设置 tail 即可
            if (tn != null) {               // lagging tail
                // 这个方法就是：如果 tail 此时为 t 的话，设置为 tn
                advanceTail(t, tn);
                continue;
            }
            // 
            if (timed && nanos <= 0)        // can't wait
                return null;
            if (s == null)
                s = new QNode(e, isData);
            // 将当前节点，插入到 tail 的后面
            if (!t.casNext(null, s))        // failed to link in
                continue;

            // 将当前节点设置为新的 tail
            advanceTail(t, s);              // swing tail and wait
            // 看到这里，请读者先往下滑到这个方法，看完了以后再回来这里，思路也就不会断了
            Object x = awaitFulfill(s, e, timed, nanos);
            // 到这里，说明之前入队的线程被唤醒了，准备往下执行
            if (x == s) {                   // wait was cancelled
                clean(t, s);
                return null;
            }

            if (!s.isOffList()) {           // not already unlinked
                advanceHead(t, s);          // unlink if head
                if (x != null)              // and forget fields
                    s.item = s;
                s.waiter = null;
            }
            return (x != null) ? x : e;

        // 这里的 else 分支就是上面说的第二种情况，有相应的读或写相匹配的情况
        } else {                            // complementary-mode
            QNode m = h.next;               // node to fulfill
            if (t != tail || m == null || h != head)
                continue;                   // inconsistent read

            Object x = m.item;
            if (isData == (x != null) ||    // m already fulfilled
                x == m ||                   // m cancelled
                !m.casItem(x, e)) {         // lost CAS
                advanceHead(h, m);          // dequeue and retry
                continue;
            }

            advanceHead(h, m);              // successfully fulfilled
            LockSupport.unpark(m.waiter);
            return (x != null) ? x : e;
        }
    }
}

void advanceTail(QNode t, QNode nt) {
    if (tail == t)
        UNSAFE.compareAndSwapObject(this, tailOffset, t, nt);
}

// 自旋或阻塞，直到满足条件，这个方法返回
Object awaitFulfill(QNode s, Object e, boolean timed, long nanos) {

    long lastTime = timed ? System.nanoTime() : 0;
    Thread w = Thread.currentThread();
    // 判断需要自旋的次数，
    int spins = ((head.next == s) ?
                 (timed ? maxTimedSpins : maxUntimedSpins) : 0);
    for (;;) {
        // 如果被中断了，那么取消这个节点
        if (w.isInterrupted())
            // 就是将当前节点 s 中的 item 属性设置为 this
            s.tryCancel(e);
        Object x = s.item;
        // 这里是这个方法的唯一的出口
        if (x != e)
            return x;
        // 如果需要，检测是否超时
        if (timed) {
            long now = System.nanoTime();
            nanos -= now - lastTime;
            lastTime = now;
            if (nanos <= 0) {
                s.tryCancel(e);
                continue;
            }
        }
        if (spins > 0)
            --spins;
        // 如果自旋达到了最大的次数，那么检测
        else if (s.waiter == null)
            s.waiter = w;
        // 如果自旋到了最大的次数，那么线程挂起，等待唤醒
        else if (!timed)
            LockSupport.park(this);
        // spinForTimeoutThreshold 这个之前讲 AQS 的时候其实也说过，剩余时间小于这个阈值的时候，就
        // 不要进行挂起了，自旋的性能会比较好
        else if (nanos > spinForTimeoutThreshold)
            LockSupport.parkNanos(this, nanos);
    }
}

Doug Lea 的巧妙之处在于，将各个代码凑在了一起，使得代码非常简洁，当然也同时增加了我们的阅读负担，看代码的时候，还是得仔细想想各种可能的情况。

下面，再说说前面说的公平模式和非公平模式的区别。

相信大家心里面已经有了公平模式的工作流程的概念了，我就简单说说 TransferStack 的算法，就不分析源码了。

1.当调用这个方法时，如果队列是空的，或者队列中的节点和当前的线程操作类型一致（如当前操作是 put 操作，而栈中的元素也都是写线程）。这种情况下，将当前线程加入到等待栈中，等待配对。然后返回相应的元素，或者如果被取消了的话，返回 null。
2.如果栈中有等待节点，而且与当前操作可以匹配（如栈里面都是读操作线程，当前线程是写操作线程，反之亦然）。将当前节点压入栈顶，和栈中的节点进行匹配，然后将这两个节点出栈。配对和出栈的动作其实也不是必须的，因为下面的一条会执行同样的事情。
3.如果栈顶是进行匹配而入栈的节点，帮助其进行匹配并出栈，然后再继续操作。

应该说，TransferStack 的源码要比 TransferQueue 的复杂一些，如果读者感兴趣，请自行进行源码阅读。

BlockingQueue 实现之 PriorityBlockingQueue

带排序的 BlockingQueue 实现，其并发控制采用的是 ReentrantLock，队列为无界队列（ArrayBlockingQueue 是有界队列，LinkedBlockingQueue 也可以通过在构造函数中传入 capacity 指定队列最大的容量，但是 PriorityBlockingQueue 只能指定初始的队列大小，后面插入元素的时候，如果空间不够的话会自动扩容）。

简单地说，它就是 PriorityQueue 的线程安全版本。不可以插入 null 值，同时，插入队列的对象必须是可比较大小的（comparable），否则报 ClassCastException 异常。它的插入操作 put 方法不会 block，因为它是无界队列（take 方法在队列为空的时候会阻塞）。

它的源码相对比较简单，本节将介绍其核心源码部分。

我们来看看它有哪些属性：

// 构造方法中，如果不指定大小的话，默认大小为 11
private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 11;
// 数组的最大容量
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

// 这个就是存放数据的数组
private transient Object[] queue;

// 队列当前大小
private transient int size;

// 大小比较器，如果按照自然序排序，那么此属性可设置为 null
private transient Comparator<? super E> comparator;

// 并发控制所用的锁，所有的 public 且涉及到线程安全的方法，都必须先获取到这个锁
private final ReentrantLock lock;

// 这个很好理解，其实例由上面的 lock 属性创建
private final Condition notEmpty;

// 这个也是用于锁，用于数组扩容的时候，需要先获取到这个锁，才能进行扩容操作
// 其使用 CAS 操作
private transient volatile int allocationSpinLock;

// 用于序列化和反序列化的时候用，对于 PriorityBlockingQueue 我们应该比较少使用到序列化
private PriorityQueue q;

此类实现了 Collection 和 Iterator 接口中的所有接口方法，对其对象进行迭代并遍历时，不能保证有序性。如果你想要实现有序遍历，建议采用 Arrays.sort(queue.toArray()) 进行处理。PriorityBlockingQueue 提供了 drainTo 方法用于将部分或全部元素有序地填充（准确说是转移，会删除原队列中的元素）到另一个集合中。还有一个需要说明的是，如果两个对象的优先级相同（compare 方法返回 0），此队列并不保证它们之间的顺序。

PriorityBlockingQueue 使用了基于数组的二叉堆来存放元素，所有的 public 方法采用同一个 lock 进行并发控制。

二叉堆：一颗完全二叉树，它非常适合用数组进行存储，对于数组中的元素 a[i]，其左子节点为 a[2i+1]，其右子节点为 a[2i + 2]，其父节点为 a[(i-1)/2]，其堆序性质为，每个节点的值都小于其左右子节点的值。二叉堆中最小的值就是根节点，但是删除根节点是比较麻烦的，因为需要调整树。

简单用个图解释一下二叉堆，我就不说太多专业的严谨的术语了，这种数据结构的优点是一目了然的，最小的元素一定是根元素，它是一棵满的树，除了最后一层，最后一层的节点从左到右紧密排列。

下面开始 PriorityBlockingQueue 的源码分析，首先我们来看看构造方法:

// 默认构造方法，采用默认值(11)来进行初始化
public PriorityBlockingQueue() {
    this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, null);
}
// 指定数组的初始大小
public PriorityBlockingQueue(int initialCapacity) {
    this(initialCapacity, null);
}
// 指定比较器
public PriorityBlockingQueue(int initialCapacity,
                             Comparator<? super E> comparator) {
    if (initialCapacity < 1)
        throw new IllegalArgumentException();
    this.lock = new ReentrantLock();
    this.notEmpty = lock.newCondition();
    this.comparator = comparator;
    this.queue = new Object[initialCapacity];
}
// 在构造方法中就先填充指定的集合中的元素
public PriorityBlockingQueue(Collection<? extends E> c) {
    this.lock = new ReentrantLock();
    this.notEmpty = lock.newCondition();
    // 
    boolean heapify = true; // true if not known to be in heap order
    boolean screen = true;  // true if must screen for nulls
    if (c instanceof SortedSet<?>) {
        SortedSet<? extends E> ss = (SortedSet<? extends E>) c;
        this.comparator = (Comparator<? super E>) ss.comparator();
        heapify = false;
    }
    else if (c instanceof PriorityBlockingQueue<?>) {
        PriorityBlockingQueue<? extends E> pq =
            (PriorityBlockingQueue<? extends E>) c;
        this.comparator = (Comparator<? super E>) pq.comparator();
        screen = false;
        if (pq.getClass() == PriorityBlockingQueue.class) // exact match
            heapify = false;
    }
    Object[] a = c.toArray();
    int n = a.length;
    // If c.toArray incorrectly doesn't return Object[], copy it.
    if (a.getClass() != Object[].class)
        a = Arrays.copyOf(a, n, Object[].class);
    if (screen && (n == 1 || this.comparator != null)) {
        for (int i = 0; i < n; ++i)
            if (a[i] == null)
                throw new NullPointerException();
    }
    this.queue = a;
    this.size = n;
    if (heapify)
        heapify();
}

接下来，我们来看看其内部的自动扩容实现：

private void tryGrow(Object[] array, int oldCap) {
    // 这边做了释放锁的操作
    lock.unlock(); // must release and then re-acquire main lock
    Object[] newArray = null;
    // 用 CAS 操作将 allocationSpinLock 由 0 变为 1，也算是获取锁
    if (allocationSpinLock == 0 &&
        UNSAFE.compareAndSwapInt(this, allocationSpinLockOffset,
                                 0, 1)) {
        try {
            // 如果节点个数小于 64，那么增加的 oldCap + 2 的容量
            // 如果节点数大于等于 64，那么增加 oldCap 的一半
            // 所以节点数较小时，增长得快一些
            int newCap = oldCap + ((oldCap < 64) ?
                                   (oldCap + 2) :
                                   (oldCap >> 1));
            // 这里有可能溢出
            if (newCap - MAX_ARRAY_SIZE > 0) {    // possible overflow
                int minCap = oldCap + 1;
                if (minCap < 0 || minCap > MAX_ARRAY_SIZE)
                    throw new OutOfMemoryError();
                newCap = MAX_ARRAY_SIZE;
            }
            // 如果 queue != array，那么说明有其他线程给 queue 分配了其他的空间
            if (newCap > oldCap && queue == array)
                // 分配一个新的大数组
                newArray = new Object[newCap];
        } finally {
            // 重置，也就是释放锁
            allocationSpinLock = 0;
        }
    }
    // 如果有其他的线程也在做扩容的操作
    if (newArray == null) // back off if another thread is allocating
        Thread.yield();
    // 重新获取锁
    lock.lock();
    // 将原来数组中的元素复制到新分配的大数组中
    if (newArray != null && queue == array) {
        queue = newArray;
        System.arraycopy(array, 0, newArray, 0, oldCap);
    }
}

扩容方法对并发的控制也非常的巧妙，释放了原来的独占锁 lock，这样的话，扩容操作和读操作可以同时进行，提高吞吐量。

下面，我们来分析下写操作 put 方法和读操作 take 方法。

public void put(E e) {
    // 直接调用 offer 方法，因为前面我们也说了，在这里，put 方法不会阻塞
    offer(e); 
}
public boolean offer(E e) {
    if (e == null)
        throw new NullPointerException();
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 首先获取到独占锁
    lock.lock();
    int n, cap;
    Object[] array;
    // 如果当前队列中的元素个数 >= 数组的大小，那么需要扩容了
    while ((n = size) >= (cap = (array = queue).length))
        tryGrow(array, cap);
    try {
        Comparator<? super E> cmp = comparator;
        // 节点添加到二叉堆中
        if (cmp == null)
            siftUpComparable(n, e, array);
        else
            siftUpUsingComparator(n, e, array, cmp);
        // 更新 size
        size = n + 1;
        // 唤醒等待的读线程
        notEmpty.signal();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
    return true;
}

对于二叉堆而言，插入一个节点是简单的，插入的节点如果比父节点小，交换它们，然后继续和父节点比较。

// 这个方法就是将数据 x 插入到数组 array 的位置 k 处，然后再调整树
private static <T> void siftUpComparable(int k, T x, Object[] array) {
    Comparable<? super T> key = (Comparable<? super T>) x;
    while (k > 0) {
        // 二叉堆中 a[k] 节点的父节点位置
        int parent = (k - 1) >>> 1;
        Object e = array[parent];
        if (key.compareTo((T) e) >= 0)
            break;
        array[k] = e;
        k = parent;
    }
    array[k] = key;
}

我们用图来示意一下，我们接下来要将 11 插入到队列中，看看 siftUp 是怎么操作的。

我们再看看 take 方法：

public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 独占锁
    lock.lockInterruptibly();
    E result;
    try {
        // dequeue 出队
        while ( (result = dequeue()) == null)
            notEmpty.await();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
    return result;
}

private E dequeue() {
    int n = size - 1;
    if (n < 0)
        return null;
    else {
        Object[] array = queue;
        // 队头，用于返回
        E result = (E) array[0];
        // 队尾元素先取出
        E x = (E) array[n];
        // 队尾置空
        array[n] = null;
        Comparator<? super E> cmp = comparator;
        if (cmp == null)
            siftDownComparable(0, x, array, n);
        else
            siftDownUsingComparator(0, x, array, n, cmp);
        size = n;
        return result;
    }
}

dequeue 方法返回队头，并调整二叉堆的树，调用这个方法必须先获取独占锁。

废话不多说，出队是非常简单的，因为队头就是最小的元素，对应的是数组的第一个元素。难点是队头出队后，需要调整树。

private static <T> void siftDownComparable(int k, T x, Object[] array,
                                           int n) {
    if (n > 0) {
        Comparable<? super T> key = (Comparable<? super T>)x;
        // 这里得到的 half 肯定是非叶节点
        // a[n] 是最后一个元素，其父节点是 a[(n-1)/2]。所以 n >>> 1 代表的节点肯定不是叶子节点
        // 下面，我们结合图来一行行分析，这样比较直观简单
        // 此时 k 为 0, x 为 17，n 为 9
        int half = n >>> 1; // 得到 half = 4
        while (k < half) {
            // 先取左子节点
            int child = (k << 1) + 1; // 得到 child = 1
            Object c = array[child];  // c = 12
            int right = child + 1;  // right = 2
            // 如果右子节点存在，而且比左子节点小
            // 此时 array[right] = 20，所以条件不满足
            if (right < n &&
                ((Comparable<? super T>) c).compareTo((T) array[right]) > 0)
                c = array[child = right];
            // key = 17, c = 12，所以条件不满足
            if (key.compareTo((T) c) <= 0)
                break;
            // 把 12 填充到根节点
            array[k] = c;
            // k 赋值后为 1
            k = child;
            // 一轮过后，我们发现，12 左边的子树和刚刚的差不多，都是缺少根节点，接下来处理就简单了
        }
        array[k] = key;
    }
}

记住二叉堆是一棵完全二叉树，那么根节点 10 拿掉后，最后面的元素 17 必须找到合适的地方放置。首先，17 和 10 不能直接交换，那么先将根节点 10 的左右子节点中较小的节点往上滑，即 12 往上滑，然后原来 12 留下了一个空节点，然后再把这个空节点的较小的子节点往上滑，即 13 往上滑，最后，留出了位子，17 补上即可。

我稍微调整下这个树，以便读者能更明白：

总结

我知道本文过长，相信一字不漏看完的读者肯定是少数。

ArrayBlockingQueue 底层是数组，有界队列，如果我们要使用生产者-消费者模式，这是非常好的选择。

LinkedBlockingQueue 底层是链表，可以当做无界和有界队列来使用，所以大家不要以为它就是无界队列。

SynchronousQueue 本身不带有空间来存储任何元素，使用上可以选择公平模式和非公平模式。

PriorityBlockingQueue 是无界队列，基于数组，数据结构为二叉堆，数组第一个也是树的根节点总是最小值。

（全文完）