阻塞队列之ArrayBlockingQueue源码解析

女爷i 2022-11-21 14:45 148阅读 0赞

之前的文章我们学了 ConcurrentHashMap、 ConcurrentLinkedQueue 等线程安全容器，而且也说了 Java并发包中的 Concurent 开头的并发容器都是非阻塞的，是使用 CAS 自旋操作实现的线程安全。 今天我们来学习实现线程安全的另一种方法：就是**阻塞**形式，即使用锁，这样的容器也被称为阻塞队列。

## 什么是阻塞队列 ##

阻塞队列支持阻塞的插入和移除。

*  支持阻塞的插入：就是当队列满了的情况下，队列会阻塞插入元素的线程，直到队列不满。
 *  支持阻塞的移除：就是当队列为空的情况下，队列会阻塞获取元素的线程，直到队列非空。

使用阻塞队列，我们要知道，当阻塞队列不可用时，插入和移除操作的4中处理方式，这也是我们使用的前提，你就会知道在开发中到底使用哪个方法是符合你的预期的。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>方法/处理方式</th> 
   <th>抛出异常</th> 
   <th>返回特殊值</th> 
   <th>一直阻塞</th> 
   <th>超时退出</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>插入方法</td> 
   <td>add(e)</td> 
   <td>offer(e)</td> 
   <td>put(e)</td> 
   <td>offer(e,time,unit)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>移除方法</td> 
   <td>remove()</td> 
   <td>poll()</td> 
   <td>take()</td> 
   <td>poll(time,unit)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>检查方法</td> 
   <td>element()</td> 
   <td>peek()</td> 
   <td>不可用</td> 
   <td>不可用</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

*  抛出异常：当队列满时，如果再往队列里插入元素，会抛出IllegalStateException（“Queue  
    full”）异常。当队列空时，从队列里获取元素会抛出NoSuchElementException异常
 *  返回特殊值：当往队列插入元素时，会返回元素是否插入成功，成功返回true。如果是移  
    除方法，则是从队列里取出一个元素，如果没有则返回null。
 *  一直阻塞：当阻塞队列满时，如果生产者线程往队列里put元素，队列会一直阻塞生产者  
    线程，直到队列可用或者响应中断退出。当队列空时，如果消费者线程从队列里take元素，队  
    列会阻塞住消费者线程，直到队列不为空。
 *  超时退出：当阻塞队列满时，如果生产者线程往队列里插入元素，队列会阻塞生产者线程  
    一段时间，如果超过了指定的时间，生产者线程就会退出。

**需要注意的是：**

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。

## ArrayBlockingQueue 概述 ##

> ArrayBlockingQueue是一个用数组实现的有界阻塞队列。此队列按照先进先出（FIFO）的原  
> 则对元素进行排序。

`ArrayBlockingQueue` 默认情况下是不支持线程公平的访问队列，这里的公平性指的是阻塞的线程可以按照先后顺序访问队列，即先阻塞的线程先访问。 如果要保证线程公平访问，通常会降低吞吐量，当然 `ArrayBlockingQueue` 也是支持公平访问的，使用方式如下：

ArrayBlockingQueue fairQueue = new ArrayBlockingQueue(1000,true);

这里小伙伴可以思考下，公平锁是如何实现的？

之前我们的文章也讲过，可以使用 可重入锁(对于可重入锁不太了解的伙伴可以看我这个系列专栏前面的文章)，具体代码如下：

public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) { 
        if (capacity <= 0)
            throw new IllegalArgumentException();
        this.items = new Object[capacity];
        lock = new ReentrantLock(fair);
        notEmpty = lock.newCondition();
        notFull =  lock.newCondition();
    }

## ArrayBlockingQueue 源码解析 ##

如果队列是空的，消费者会一直等待，当生产者添加元素时，消费者是如何知道当前队列有元素的呢？如果让你来设计阻塞队列你会如何设计，如何让生产者和消费者进行高效率的通信呢？让我们先来看看JDK是如何实现的。

### 入队操作 ###

**使用通知模式实现**。所谓通知模式，就是当生产者往满的队列里添加元素时会阻塞住生产者，当消费者消费了一个队列中的元素后，会通知生产者当前队列可用。

通过查看JDK源码发现 `ArrayBlockingQueue` 使用了Condition来实现，代码如下：

public void put(E e) throws InterruptedException { 
        checkNotNull(e);
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        // 使用condition，必须要获取锁
        lock.lockInterruptibly();
        try { 
            while (count == items.length)
                // 队列满则在notFull对象上等待通知
                notFull.await();
            // 将指定元素放在队尾，并通知 notEmpty.signal();
            enqueue(e);
        } finally { 
            lock.unlock();
        }
    }

上面的代码不难发现，当 items 这个数组满了的时候，进入 while 死循环 在 notFull 这个 Condition 对象上等待，同时会释放掉 可重入锁。 看到这里我们会看到如果队列不满，则直接将当前元素插入到队尾，并且要通知因为队列为空而等待在 notEmpty 这个 condition 对象上的线程，具体如何通知呢？ 我们顺着源码继续往下看。

// 因为阻塞队列是线程安全的，只会获取到lock锁才能进入入队操作
    private void enqueue(E x) { 
        // assert lock.getHoldCount() == 1;
        // assert items[putIndex] == null;
        final Object[] items = this.items;
        items[putIndex] = x;
        if (++putIndex == items.length)
            putIndex = 0;
        // 队列的元素数量，插入后要增加1
        count++;
        // 因为插入了元素，所以要通知那些因为队列是空而等待的线程
        notEmpty.signal();
    }

代码很简单就不做啰嗦了，其实就是入队时调用队列为空的 Condition 的 signal 方法。

### 出队操作 ###

public E take() throws InterruptedException { 
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try { 
            // 队列为空在notEmpty条件进行阻塞
            while (count == 0)
                notEmpty.await();
            // 出队，并且调用 notFull.signal(); 通知入队线程
            return dequeue();
        } finally { 
            lock.unlock();
        }
    }

如果你看懂了入队操作的代码，那么出队这块其实是类似的，队列为空就阻塞，非空则取出首元素。

当然啦 `dequeue()` 方法 在出队之后也会通知所有因为队列满而阻塞的入队线程，我们来看下代码：

// 出队操作，必须先获取到锁才能调用
    private E dequeue() { 
        // assert lock.getHoldCount() == 1;
        // assert items[takeIndex] != null;
        final Object[] items = this.items;
        @SuppressWarnings("unchecked")
        E x = (E) items[takeIndex];
        // 出队一个元素，将这个位置置为null，即为删除
        items[takeIndex] = null;
        if (++takeIndex == items.length)
            takeIndex = 0;
        // 队列大小减一
        count--;
        if (itrs != null)
            itrs.elementDequeued();
        // 通知所有因为队列满阻塞的线程
        notFull.signal();
        return x;
    }

看到这里，那恭喜你你已经对阻塞队列的实现有了一个清晰的认识：它们是利用可重入锁获取 两个 Condition 对象来分别阻塞入队和出队操作的。

你可能会问，阻塞队列使用了可重入锁，它是怎么来阻塞当前线程的？

从上面的代码，我们看到了当队列满调用了 notFull.await() 方法，这个方法是如何实现阻塞的呢？ 代码如下：

public final void await() throws InterruptedException { 
         if (Thread.interrupted())
             throw new InterruptedException();
         // 添加一个新的节点线程到等待队列
         Node node = addConditionWaiter();
         int savedState = fullyRelease(node);
         int interruptMode = 0;
         while (!isOnSyncQueue(node)) { 
             // 阻塞主要通过 LockSupport.park（this）来实现
             LockSupport.park(this);
             if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                 break;
         }
         if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
             interruptMode = REINTERRUPT;
         if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
             unlinkCancelledWaiters();
         if (interruptMode != 0)
             reportInterruptAfterWait(interruptMode);
     }

将当前节点加入等待条件队列，通过调用 LockSupport.park(this) 方法来阻塞当前线程；

public static void park(Object blocker) { 
       Thread t = Thread.currentThread();
       // 先保存一下将要阻塞的线程
       setBlocker(t, blocker);
       // unsafe.park阻塞 当前线程，这是个native方法
       UNSAFE.park(false, 0L);
       setBlocker(t, null);
    }

看到 UNSAFE.park() 方法，这是一个 native 方法， 被 native修饰则表示是被 JVM 实现的，而 JVM 是在不同的操作系统中实现是不一样的，具体就是通过 C 来实现的， 这块就不再深入了，因为我们是搞 Java 的 知道这里已经很不错了，当然如果你很感兴趣可以自行在研究哈。

当调用了 UNSAFE.park() 方法就会阻塞当前线程，只有出现下面四种情况才会被唤醒从这个方法返回：

1.  被中断时，这个方法是可以响应中断的；
2.  等待一定的时间，超时返回，这个时间是 park() 方法的一个参数；
3.  调用了 unpark() 方法；
4.  异常现象的发生，原因不明，也就是意外情况；

## 动手实践 ##

既然我们已经学习了 ArrayBlockingQueue ，知道了它是使用数组实现的，它是有界的，当队列满时会阻塞生产者线程，那么我们一起验证下:

public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
        ArrayBlockingQueue arrayBlockingQueue = new ArrayBlockingQueue(2);
        arrayBlockingQueue.offer(1);
        arrayBlockingQueue.put("2");
        System.out.println("满了");
        arrayBlockingQueue.put(3);
        for (Object i : arrayBlockingQueue) { 
            System.out.println(i);
        }
    }

运行上述代码，可以看到队列大小为2，当我们插入第3个元素时，就会阻塞当前线程，当前线程被阻塞后也就进入到了 WATING 状态，建议大家也动手验证下，实践出真知。

1.  使用 jps 查看当前运行程序的进程号；  
    ![c90e31055cb27f5929bb821e1053cc86.png][]
2.  然后使用 `jstack -l pid` 查询线程堆栈信息；  
    ![23f077c73e2463577adcdbcb56d3dcef.png][]

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