[学习笔记-Java集合-16] Queue - LinkedBlockingQueue源码分析

介绍

LinkedBlockingQueue是java并发包下一个以单链表实现的阻塞队列，它是线程安全的，至于它是不是有界的，请看下面的分析。

源码分析

主要属性

// 容量
private final int capacity;

// 元素数量
private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();

// 链表头
transient Node<E> head;

// 链表尾
private transient Node<E> last;

// take锁
private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();

// notEmpty条件
// 当队列无元素时，take锁会阻塞在notEmpty条件上，等待其它线程唤醒
private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();

// 放锁
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();

// notFull条件
// 当队列满了时，put锁会会阻塞在notFull上，等待其它线程唤醒
private final Condition notFull = putLock.newCondition();

1. capacity，有容量，可以理解为LinkedBlockingQueue是有界队列
2. head, last，链表头、链表尾指针
3. takeLock，notEmpty，take锁及其对应的条件
4. putLock, notFull，put锁及其对应的条件
5. 入队、出队使用两个不同的锁控制，锁分离，提高效率

内部类

典型的单链表结构。

static class Node<E> {
    E item;

    Node<E> next;

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

主要构造方法

public LinkedBlockingQueue() {
    // 如果没传容量，就使用最大int值初始化其容量
    this(Integer.MAX_VALUE);
}

public LinkedBlockingQueue(int capacity) {
    if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
    this.capacity = capacity;
    // 初始化head和last指针为空值节点
    last = head = new Node<E>(null);
}

入队

入队同样有四个方法，我们这里只分析最重要的一个，put(E e)方法：

public void put(E e) throws InterruptedException {
    // 不允许null元素
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    int c = -1;
    // 新建一个节点
    Node<E> node = new Node<E>(e);
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    final AtomicInteger count = this.count;
    // 使用put锁加锁
    putLock.lockInterruptibly();
    try {
        // 如果队列满了，就阻塞在notFull条件上
        // 等待被其它线程唤醒
        while (count.get() == capacity) {
            notFull.await();
        }
        // 队列不满了，就入队
        enqueue(node);
        // 队列长度加1
        c = count.getAndIncrement();
        // 如果现队列长度如果小于容量
        // 就再唤醒一个阻塞在notFull条件上的线程
        // 这里为啥要唤醒一下呢？
        // 因为可能有很多线程阻塞在notFull这个条件上的
        // 而取元素时只有取之前队列是满的才会唤醒notFull
        // 为什么队列满的才唤醒notFull呢？
        // 因为唤醒是需要加putLock的，这是为了减少锁的次数
        // 所以，这里索性在放完元素就检测一下，未满就唤醒其它notFull上的线程
        // 说白了，这也是锁分离带来的代价
        if (c + 1 < capacity)
            notFull.signal();
    } finally {
        // 释放锁
        putLock.unlock();
    }
    // 如果原队列长度为0，现在加了一个元素后立即唤醒notEmpty条件
    if (c == 0)
        signalNotEmpty();
}

private void enqueue(Node<E> node) {
    // 直接加到last后面
    last = last.next = node;
}    

private void signalNotEmpty() {
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    // 加take锁
    takeLock.lock();
    try {
        // 唤醒notEmpty条件
        notEmpty.signal();
    } finally {
        // 解锁
        takeLock.unlock();
    }
}

1. 使用putLock加锁；
2. 如果队列满了就阻塞在notFull条件上；
3. 否则就入队；
4. 如果入队后元素数量小于容量，唤醒其它阻塞在notFull条件上的线程；
5. 释放锁；
6. 如果放元素之前队列长度为0，就唤醒notEmpty条件；

出队

出队同样也有四个方法，我们这里只分析最重要的那一个，take()方法：

public E take() throws InterruptedException {
    E x;
    int c = -1;
    final AtomicInteger count = this.count;
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    // 使用takeLock加锁
    takeLock.lockInterruptibly();
    try {
        // 如果队列无元素，则阻塞在notEmpty条件上
        while (count.get() == 0) {
            notEmpty.await();
        }
        // 否则，出队
        x = dequeue();
        // 获取出队前队列的长度
        c = count.getAndDecrement();
        // 如果取之前队列长度大于1，则唤醒notEmpty
        if (c > 1)
            notEmpty.signal();
    } finally {
        // 释放锁
        takeLock.unlock();
    }
    // 如果取之前队列长度等于容量
    // 则唤醒notFull
    if (c == capacity)
        signalNotFull();
    return x;
}

private E dequeue() {
    // head节点本身是不存储任何元素的
    // 这里把head删除，并把head下一个节点作为新的值
    // 并把其值置空，返回原来的值
    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;
}

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

1. 使用takeLock加锁；
2. 如果队列空了就阻塞在notEmpty条件上；
3. 否则就出队；
4. 如果出队前元素数量大于1，唤醒其它阻塞在notEmpty条件上的线程；
5. 释放锁；
6. 如果取元素之前队列长度等于容量，就唤醒notFull条件；

总结

1. LinkedBlockingQueue采用单链表的形式实现；
2. LinkedBlockingQueue采用两把锁的锁分离技术实现入队出队互不阻塞；
3. LinkedBlockingQueue是有界队列，不传入容量时默认为最大int值；

LinkedBlockingQueue与ArrayBlockingQueue对比？

1. 后者入队出队采用一把锁，导致入队出队相互阻塞，效率低下；
2. 前才入队出队采用两把锁，入队出队互不干扰，效率较高；
3. 二者都是有界队列，如果长度相等且出队速度跟不上入队速度，都会导致大量线程阻塞；
4. 前者如果初始化不传入初始容量，则使用最大int值，如果出队速度跟不上入队速度，会导致队列特别长，占用大量内存；