• LinkedBlockingQueue


    • LinkedBlockingQueue是一个基于已链接节点的,范围任意的blocking queue
    • 此队列按FIFO(先进先出)排序元素
    • 新元素插入到队列的尾部,并且队列获取操作会获得位于队列头部的元素
    • 链接队列的吞吐量通常要高于基于数组的对列(ArrayBlockingQueue),但是在大多数并发应用程序中,其可预知的性能要低
    • 可选的容量范围构造方法参数作为防止队列过度扩展的一种方法,如果未指定容量,则等于Integer.MAX_VALUE,除非插入节点会使队列超出容量,否则每次插入后会动态地创建链接节点
    public class LinkedBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
            implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
    BlockingQueue的核心方法
    放入数据:
      offer(anObject):表示如果可能的话,将anObject加到BlockingQueue里,即如果BlockingQueue可以容纳,
        则返回true,否则返回false.(本方法不阻塞当前执行方法的线程)
      offer(E o, long timeout, TimeUnit unit),可以设定等待的时间,如果在指定的时间内,还不能往队列中
        加入BlockingQueue,则返回失败。
      put(anObject):把anObject加到BlockingQueue里,如果BlockQueue没有空间,则调用此方法的线程被阻断
        直到BlockingQueue里面有空间再继续.
    获取数据:
      poll(time):取走BlockingQueue里排在首位的对象,若不能立即取出,则可以等time参数规定的时间,
        取不到时返回null;
      poll(long timeout, TimeUnit unit):从BlockingQueue取出一个队首的对象,如果在指定时间内,
        队列一旦有数据可取,则立即返回队列中的数据。否则知道时间超时还没有数据可取,返回失败。
      take():取走BlockingQueue里排在首位的对象,若BlockingQueue为空,阻断进入等待状态直到
        BlockingQueue有新的数据被加入; 
      drainTo():一次性从BlockingQueue获取所有可用的数据对象(还可以指定获取数据的个数), 
        通过该方法,可以提升获取数据效率;不需要多次分批加锁或释放锁。

    Node

      我们可以发现LinkedBlockingQueue在入队列和出队列时使用的不是同一个Lock,这也意味着它们之间的操作不会存在互斥操作。在多个CPU的情况下,它们可以做到真正的在同一时刻既消费、又生产,能够做到并行处理。  
    // 所有的元素都通过Node这个静态内部类来进行存储,这与LinkedList的处理方式完全一样
        static class Node<E> {
            //使用item来保存元素本身
            E item;
            //保存当前节点的后继节点
            Node<E> next;
            Node(E x) { item = x; }
        }
        /**
            阻塞队列所能存储的最大容量
            用户可以在创建时手动指定最大容量,如果用户没有指定最大容量
            那么最默认的最大容量为Integer.MAX_VALUE.
        */
        private final int capacity;
    
        /** 
            当前阻塞队列中的元素数量
            PS:如果你看过ArrayBlockingQueue的源码,你会发现
            ArrayBlockingQueue底层保存元素数量使用的是一个
            普通的int类型变量。其原因是在ArrayBlockingQueue底层
            对于元素的入队列和出队列使用的是同一个lock对象。而数
            量的修改都是在处于线程获取锁的情况下进行操作,因此不
            会有线程安全问题。
            而LinkedBlockingQueue却不是,它的入队列和出队列使用的是两个    
            不同的lock对象,因此无论是在入队列还是出队列,都会涉及对元素数
            量的并发修改,(之后通过源码可以更加清楚地看到)因此这里使用了一个原子操作类
            来解决对同一个变量进行并发修改的线程安全问题。
        */
        private final AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
    
        /**
         * 链表的头部
         * LinkedBlockingQueue的头部具有一个不变性:
         * 头部的元素总是为null,head.item==null   
         */
        private transient Node<E> head;
    
        /**
         * 链表的尾部
         * LinkedBlockingQueue的尾部也具有一个不变性:
         * 即last.next==null
         */
        private transient Node<E> last;
    
        /**
         元素出队列时线程所获取的锁
         当执行take、poll等操作时线程需要获取的锁
        */
        private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();
    
        /**
        当队列为空时,通过该Condition让从队列中获取元素的线程处于等待状态
        */
        private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();
    
        /** 
          元素入队列时线程所获取的锁
          当执行add、put、offer等操作时线程需要获取锁
        */
        private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();
    
        /** 
         当队列的元素已经达到capactiy,通过该Condition让元素入队列的线程处于等待状态
        */
        private final Condition notFull = putLock.newCondition();

    构造方法

        /**
         * 如果用户没有显示指定capacity的值,默认使用int的最大值
         */
        public LinkedBlockingQueue() {
            this(Integer.MAX_VALUE);
        }
        /**
         可以看到,当队列中没有任何元素的时候,此时队列的头部就等于队列的尾部,
         指向的是同一个节点,并且元素的内容为null
        */
        public LinkedBlockingQueue(int capacity) {
            if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
            this.capacity = capacity;
            last = head = new Node<E>(null);
        }
    
        /*
        在初始化LinkedBlockingQueue的时候,还可以直接将一个集合
        中的元素全部入队列,此时队列最大容量依然是int的最大值。
        */
        public LinkedBlockingQueue(Collection<? extends E> c) {
            this(Integer.MAX_VALUE);
            final ReentrantLock putLock = this.putLock;
            //获取锁
            putLock.lock(); // Never contended, but necessary for visibility
            try {
                //迭代集合中的每一个元素,让其入队列,并且更新一下当前队列中的元素数量
                int n = 0;
                for (E e : c) {
                    if (e == null)
                        throw new NullPointerException();
                    if (n == capacity)
                        throw new IllegalStateException("Queue full");
                    //参考下面的enqueue分析        
                    enqueue(new Node<E>(e));
                    ++n;
                }
                count.set(n);
            } finally {
                //释放锁
                putLock.unlock();
            }
        }
    
        /**
         * 我去,这代码其实可读性不怎么样啊。
         * 其实下面的代码等价于如下内容:
         * last.next=node;
         * last = node;
         * 其实也没有什么花样:
           就是让新入队列的元素成为原来的last的next,让进入的元素称为last
         *
         */
        private void enqueue(Node<E> node) {
            // assert putLock.isHeldByCurrentThread();
            // assert last.next == null;
            last = last.next = node;
        }    

    put

        public void put(E e) throws InterruptedException {
            if (e == null) throw new NullPointerException();
            // Note: convention in all put/take/etc is to preset local var
            
            /*注意上面这句话,约定所有的put/take操作都会预先设置本地变量,
            可以看到下面有一个将putLock赋值给了一个局部变量的操作
            */
            int c = -1;
            Node<E> node = new Node(e);
            /* 
             在这里首先获取到putLock,以及当前队列的元素数量
             即上面所描述的预设置本地变量操作
            */
            final ReentrantLock putLock = this.putLock;
            final AtomicInteger count = this.count;
            /*
                执行可中断的锁获取操作,即意味着如果线程由于获取
                锁而处于Blocked状态时,线程是可以被中断而不再继
                续等待,这也是一种避免死锁的一种方式,不会因为
                发现到死锁之后而由于无法中断线程最终只能重启应用。
            */
            putLock.lockInterruptibly();
            try {
                /*
                当队列的容量到底最大容量时,此时线程将处于等待状
                态,直到队列有空闲的位置才继续执行。使用while判
                断依旧是为了放置线程被"伪唤醒”而出现的情况,即当
                线程被唤醒时而队列的大小依旧等于capacity时,线
                程应该继续等待。
                */
                while (count.get() == capacity) {
                    notFull.await();
                }
                //让元素进行队列的末尾,enqueue代码在上面分析过了
                enqueue(node);
                //首先获取原先队列中的元素个数,然后再对队列中的元素个数+1.
                c = count.getAndIncrement();
                /*注:c+1得到的结果是新元素入队列之后队列元素的总和。
                当前队列中的总元素个数小于最大容量时,此时唤醒其他执行入队列的线程
                让它们可以放入元素,如果新加入元素之后,队列的大小等于capacity,
                那么就意味着此时队列已经满了,也就没有必须要唤醒其他正在等待入队列的线程,因为唤醒它们之后,它们也还是继续等待。
                */
                if (c + 1 < capacity)
                    notFull.signal();
            } finally {
                //完成对锁的释放
                putLock.unlock();
            }
            /*当c=0时,即意味着之前的队列是空队列,出队列的线程都处于等待状态,
            现在新添加了一个新的元素,即队列不再为空,因此它会唤醒正在等待获取元素的线程。
            */
            if (c == 0)
                signalNotEmpty();
        }
        
        /*
        唤醒正在等待获取元素的线程,告诉它们现在队列中有元素了
        */
        private void signalNotEmpty() {
            final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
            takeLock.lock();
            try {
                //通过notEmpty唤醒获取元素的线程
                notEmpty.signal();
            } finally {
                takeLock.unlock();
            }
        }

    offer

        /**
        在BlockingQueue接口中除了定义put方法外(当队列元素满了之后就会阻塞,
        直到队列有新的空间可以方法线程才会继续执行),还定义一个offer方法,
        该方法会返回一个boolean值,当入队列成功返回true,入队列失败返回false。
        该方法与put方法基本操作基本一致,只是有细微的差异。
        */
         public boolean offer(E e) {
            if (e == null) throw new NullPointerException();
            final AtomicInteger count = this.count;
            /*
                当队列已经满了,它不会继续等待,而是直接返回。
                因此该方法是非阻塞的。
            */
            if (count.get() == capacity)
                return false;
            int c = -1;
            Node<E> node = new Node(e);
            final ReentrantLock putLock = this.putLock;
            putLock.lock();
            try {
                /*
                当获取到锁时,需要进行二次的检查,因为可能当队列的大小为capacity-1时,
                两个线程同时去抢占锁,而只有一个线程抢占成功,那么此时
                当线程将元素入队列后,释放锁,后面的线程抢占锁之后,此时队列
                大小已经达到capacity,所以将它无法让元素入队列。
                下面的其余操作和put都一样,此处不再详述
                */
                if (count.get() < capacity) {
                    enqueue(node);
                    c = count.getAndIncrement();
                    if (c + 1 < capacity)
                        notFull.signal();
                }
            } finally {
                putLock.unlock();
            }
            if (c == 0)
                signalNotEmpty();
            return c >= 0;
        }

    限时等待插入

      在等待一定的时间内,如果队列有空间可以插入,那么就将元素入队列,然后返回true,如果在过完指定的时间后依旧没有空间可以插入,那么就返回false

      通过获取到putLock锁来完成,当队列的数量达到最大值,此时会导致线程处于阻塞状态或者返回false(根据具体的方法来看);如果队列还有剩余的空间,那么此时会新创建出一个Node对象,将其设置到队列的尾部,作为LinkedBlockingQueue的last元素
            /**
             通过timeout和TimeUnit来指定等待的时长
             timeout为时间的长度,TimeUnit为时间的单位
            */
            public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
            throws InterruptedException {
    
            if (e == null) throw new NullPointerException();
            //将指定的时间长度转换为毫秒来进行处理
            long nanos = unit.toNanos(timeout);
            int c = -1;
            final ReentrantLock putLock = this.putLock;
            final AtomicInteger count = this.count;
            putLock.lockInterruptibly();
            try {
                while (count.get() == capacity) {
                    //如果等待的剩余时间小于等于0,那么直接返回
                    if (nanos <= 0)
                        return false;
                /*
                  通过condition来完成等待,此时当前线程会完成锁的,并且处于等待状态
                  直到被其他线程唤醒该线程、或者当前线程被中断、
                  等待的时间截至才会返回,该返回值为从方法调用到返回所经历的时长。
                  注意:上面的代码是condition的awitNanos()方法的通用写法,
                  可以参看Condition.awaitNaos的API文档。
                  下面的其余操作和put都一样,此处不再详述
                */
                    nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
                }
                enqueue(new Node<E>(e));
                c = count.getAndIncrement();
                if (c + 1 < capacity)
                    notFull.signal();
            } finally {
                putLock.unlock();
            }
            if (c == 0)
                signalNotEmpty();
            return true;
        }

    take

     public E take() throws InterruptedException {
            E x;
            int c = -1;
            final AtomicInteger count = this.count;
            final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
            //通过takeLock获取锁,并且支持线程中断
            takeLock.lockInterruptibly();
            try {
                //当队列为空时,则让当前线程处于等待
                while (count.get() == 0) {
                    notEmpty.await();
                }
                //完成元素的出队列
                x = dequeue();
                /*            
                   队列元素个数完成原子化操作-1,可以看到count元素会
                   在插入元素的线程和获取元素的线程进行并发修改操作。
                */
                c = count.getAndDecrement();
                /*
                  当一个元素出队列之后,队列的大小依旧大于1时
                  当前线程会唤醒其他执行元素出队列的线程,让它们也
                  可以执行元素的获取
                */
                if (c > 1)
                    notEmpty.signal();
            } finally {
                //完成锁的释放
                takeLock.unlock();
            }
            /*
                当c==capaitcy时,即在获取当前元素之前,
                队列已经满了,而此时获取元素之后,队列就会
                空出一个位置,故当前线程会唤醒执行插入操作的线
                程通知其他中的一个可以进行插入操作。
            */
            if (c == capacity)
                signalNotFull();
            return x;
        }
    
    
        /**
         * 让头部元素出队列的过程
         * 其最终的目的是让原来的head被GC回收,让其的next成为head
         * 并且新的head的item为null.
         * 因为LinkedBlockingQueue的头部具有一致性:即元素为null。
         */
        private E dequeue() {
            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;
        }
        

    LinkedBlockingQueue与ArrayBlockingQueue的比较

      ArrayBlockingQueue由于其底层基于数组,并且在创建时指定存储的大小,在完成后就会立即在内存分配固定大小容量的数组元素,因此其存储通常有限,故其是一个“有界“的阻塞队列;而LinkedBlockingQueue可以由用户指定最大存储容量,也可以无需指定,如果不指定则最大存储容量将是Integer.MAX_VALUE,即可以看作是一个“无界”的阻塞队列,由于其节点的创建都是动态创建,并且在节点出队列后可以被GC所回收,因此其具有灵活的伸缩性。但是由于ArrayBlockingQueue的有界性,因此其能够更好的对于性能进行预测,而LinkedBlockingQueue由于没有限制大小,当任务非常多的时候,不停地向队列中存储,就有可能导致内存溢出的情况发生。

      其次,ArrayBlockingQueue中在入队列和出队列操作过程中,使用的是同一个lock,所以即使在多核CPU的情况下,其读取和操作的都无法做到并行,而LinkedBlockingQueue的读取和插入操作所使用的锁是两个不同的lock,它们之间的操作互相不受干扰,因此两种操作可以并行完成,故LinkedBlockingQueue的吞吐量要高于ArrayBlockingQueue。

      JDK中选用LinkedBlockingQueue作为阻塞队列的原因就在于其无界性。因为线程大小固定的线程池,其线程的数量是不具备伸缩性的,当任务非常繁忙的时候,就势必会导致所有的线程都处于工作状态,如果使用一个有界的阻塞队列来进行处理,那么就非常有可能很快导致队列满的情况发生,从而导致任务无法提交而抛出RejectedExecutionException,而使用无界队列由于其良好的存储容量的伸缩性,可以很好的去缓冲任务繁忙情况下场景,即使任务非常多,也可以进行动态扩容,当任务被处理完成之后,队列中的节点也会被随之被GC回收,非常灵活。


    原文链接:

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