LinkedBlockingQueue和ArrayBlockingQueue底层

LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue 是 Java 中常见的 阻塞队列（Blocking Queue）实现，主要用于在生产者-消费者模型中管理任务的队列，它们都实现了 BlockingQueue 接口。虽然这两者都实现了阻塞队列的功能，但是它们的底层实现有很大的不同。

1. LinkedBlockingQueue 的底层实现

LinkedBlockingQueue 是基于 链表（Linked List） 实现的，它内部使用了一个双向链表来存储队列中的元素。

• 底层结构：双向链表（LinkedList）。

• 特点：

  • 没有固定大小的限制，除非显式指定队列的容量。
  • 如果没有指定队列的容量，则默认情况下容量是 Integer.MAX_VALUE，即无界队列。
  • 如果队列已满，生产者线程会被阻塞，直到有空间可用。
  • 如果队列为空，消费者线程会被阻塞，直到有任务可供消费。

底层实现细节：

• LinkedBlockingQueue 使用了 两个锁（分别为 putLock 和 takeLock），来处理入队和出队操作：

  • putLock：用于保护入队（put）操作的线程安全性。
  • takeLock：用于保护出队（take）操作的线程安全性。
• 由于队列是基于链表的，元素插入和删除（即入队和出队操作）都具有 O(1) 的时间复杂度。

优点：

• 由于队列是链表结构，可以支持任意数量的任务（只要系统内存允许）。
• 内存分配不需要事先分配一个固定大小的内存块，可以灵活扩展。

缺点：

• 由于需要维护链表的结构，会有一定的内存开销。
• 链表结构可能导致内存访问不如数组结构那样局部性好，可能会影响缓存命中率。

2. ArrayBlockingQueue 的底层实现

ArrayBlockingQueue 是基于 数组（Array） 实现的，它内部维护一个固定大小的数组作为队列的存储结构。

• 底层结构：数组（Object[]）。

• 特点：

  • 容量是固定的，创建时需要指定队列的大小。
  • 容量达到最大时，生产者线程会被阻塞，直到队列有空间。
  • 如果队列为空，消费者线程会被阻塞，直到有元素可供消费。

底层实现细节：

• ArrayBlockingQueue 使用了一个环形数组来存储队列元素。

  • 通过维护两个指针来记录队列的头部和尾部位置。
  • 通过 环形数组 实现队列的循环操作，这样就避免了空间浪费。当尾部指针达到数组末尾时，它会跳回到数组的开始部分继续存放元素。

• 队列的入队和出队操作是通过 数组的索引 来完成的：

  • put() 和 take() 方法通过调整头部和尾部指针来控制队列的状态。

优点：

• 由于底层是数组结构，访问速度非常快，且内存布局比较紧凑，效率较高。
• 内存开销较小，适用于任务数固定且较少的场景。

缺点：

• 队列的容量是固定的，一旦创建，不能动态扩展。
• 如果队列满了，线程会被阻塞，且可能需要等待较长时间。

总结：底层结构对比

特性	LinkedBlockingQueue	ArrayBlockingQueue
底层实现	基于 链表（LinkedList）	基于 数组（Array）
容量限制	默认无界（可以指定容量）	有界，容量固定
插入/删除操作	使用链表节点，时间复杂度 O(1)	使用数组索引，时间复杂度 O(1)
内存使用	内存开销较大，适用于不确定数量的任务	内存开销较小，适用于已知固定任务
线程同步机制	使用两个锁（putLock 和 takeLock）	使用单个锁和数组的原子操作
优点	可以动态扩展，适合任务数不确定的情况	内存占用少，性能较好，适用于固定任务数量的场景

适用场景

• LinkedBlockingQueue：适用于任务数目不确定或任务数量较多的场景，尤其是当你希望线程池的任务量不受限制时。
• ArrayBlockingQueue：适用于任务数目较为稳定且固定的场景，适合负载较轻、且对内存开销较为敏感的应用。

这两者的选择通常根据你的应用需求来决定：如果任务量较大并且不确定，使用 LinkedBlockingQueue；如果任务数量较为稳定且有界，使用 ArrayBlockingQueue 会更高效。