• 线程池阻塞队列之LinkedBlockingQueue


    LinkedBlockingQueue介绍

    LinkedBlockingQueue是一个单向链表实现的阻塞队列。该队列按 FIFO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。

    此外,LinkedBlockingQueue可以指定队列的容量。如果不指定,默认容量大小等于Integer.MAX_VALUE。

    LinkedBlockingQueue原理和数据结构

    1. LinkedBlockingQueue继承于AbstractQueue,它本质上是一个FIFO(先进先出)的队列。

    2. LinkedBlockingQueue实现了BlockingQueue接口,它支持多线程并发。当多线程竞争同一个资源时,某线程获取到该资源之后,其它线程需要阻塞等待。

    3. LinkedBlockingQueue是通过单链表实现的:

        1. head是链表的表头。取出数据时,都是从表头head处取出。

        2. last是链表的表尾。新增数据时,都是从表尾last处插入。

        3. count是链表的实际大小,即当前链表中包含的节点个数。

        4. capacity是列表的容量,它是在创建链表时指定的。

        5. putLock是插入锁,takeLock是取出锁;notEmpty是“非空条件”,notFull是“未满条件”。通过它们对链表进行并发控制。LinkedBlockingQueue在实现“多线程对竞争资源的互斥访问”时,对于“插入”和“取出(删除)”操作分别使用了不同的锁。对于插入操作,通过“插入锁putLock”进行同步;对于取出操作,通过“取出锁takeLock”进行同步。此外,插入锁putLock和“非满条件notFull”相关联,取出锁takeLock和“非空条件notEmpty”相关联。通过notFull和notEmpty更细腻的控制锁。

    若某线程(线程A)要取出数据时,队列正好为空,则该线程会执行notEmpty.await()进行等待;当其它某个线程(线程B)向队列中插入了数据之后,会调用notEmpty.signal()唤醒“notEmpty上的等待线程”。此时,线程A会被唤醒从而得以继续运行。 此外,线程A在执行取操作前,会获取takeLock,在取操作执行完毕再释放takeLock。

    若某线程(线程H)要插入数据时,队列已满,则该线程会它执行notFull.await()进行等待;当其它某个线程(线程I)取出数据之后,会调用notFull.signal()唤醒“notFull上的等待线程”。此时,线程H就会被唤醒从而得以继续运行。 此外,线程H在执行插入操作前,会获取putLock,在插入操作执行完毕才释放putLock。

    LinkedBlockingQueue函数列表

     

    LinkedBlockingQueue源码分析

    下面从LinkedBlockingQueue的创建,添加,删除,遍历这几个方面对它进行分析。

    1. 创建

    下面以LinkedBlockingQueue(int capacity)来进行说明。

    说明:

    1. capacity是“LinkedBlockingQueue”的容量。

    1. head和last是“LinkedBlockingQueue”的首节点和尾节点。它们在LinkedBlockingQueue中的声明如下:

    链表的节点定义如下:

     2. 添加

    下面以offer(E e)为例,对LinkedBlockingQueue的添加方法进行说明。

    public boolean offer(E e) {
        if (e == null) throw new NullPointerException();
        // 如果“队列已满”,则返回false,表示插入失败。
        final AtomicInteger count = this.count;
        if (count.get() == capacity)
            return false;
        int c = -1;
        // 新建“节点e”
        Node<E> node = new Node(e);
        final ReentrantLock putLock = this.putLock;
        // 获取“插入锁putLock”
        putLock.lock();
        try {
            // 再次对“队列是不是满”的进行判断。
            // 若“队列未满”,则插入节点。
            if (count.get() < capacity) {
                // 插入节点
                enqueue(node);
                // 将“当前节点数量”+1,并返回“原始的数量”
                c = count.getAndIncrement();
                // 如果在插入元素之后,队列仍然未满,则唤醒notFull上的等待线程。
                if (c + 1 < capacity)
                    notFull.signal();
            }
        } finally {
            // 释放“插入锁putLock”
            putLock.unlock();
        }
        // 如果在插入节点前,队列为空;则插入节点后,唤醒notEmpty上的等待线程
        if (c == 0)
            signalNotEmpty();
        return c >= 0;
    }

    说明:offer()的作用很简单,就是将元素E添加到队列的末尾。 enqueue()的源码如下:

    private void enqueue(Node<E> node) {
        // assert putLock.isHeldByCurrentThread();
        // assert last.next == null;
        last = last.next = node;
    }

    enqueue()的作用是将node添加到队列末尾,并设置node为新的尾节点! signalNotEmpty()的源码如下:

    private void signalNotEmpty() {
        final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
        takeLock.lock();
        try {
            notEmpty.signal();
        } finally {
            takeLock.unlock();
        }
    }

    signalNotEmpty()的作用是唤醒notEmpty上的等待线程。

    3. 取出

    下面以take()为例,对LinkedBlockingQueue的取出方法进行说明。

    说明:take()的作用是取出并返回队列的头。若队列为空,则一直等待。 dequeue()的源码如下:

    private E dequeue() {
        // assert takeLock.isHeldByCurrentThread();
        // assert head.item == null;
        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;
    }

    dequeue()的作用就是删除队列的头节点,并将表头指向“原头节点的下一个节点”。 signalNotFull()的源码如下:

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

    signalNotFull()的作用就是唤醒notFull上的等待线程。

    4. 遍历

    下面对LinkedBlockingQueue的遍历方法进行说明。

    public Iterator<E> iterator() {
      return new Itr();
    }

    iterator()实际上是返回一个Iter对象。 Itr类的定义如下:

    private class Itr implements Iterator<E> {
        // 当前节点
        private Node<E> current;
        // 上一次返回的节点
        private Node<E> lastRet;
        // 当前节点对应的值
        private E currentElement;
    ​
        Itr() {
            // 同时获取“插入锁putLock” 和 “取出锁takeLock”
            fullyLock();
            try {
                // 设置“当前元素”为“队列表头的下一节点”,即为队列的第一个有效节点
                current = head.next;
                if (current != null)
                    currentElement = current.item;
            } finally {
                // 释放“插入锁putLock” 和 “取出锁takeLock”
                fullyUnlock();
            }
        }
    ​
        // 返回“下一个节点是否为null”
        public boolean hasNext() {
            return current != null;
        }
    ​
        private Node<E> nextNode(Node<E> p) {
            for (;;) {
                Node<E> s = p.next;
                if (s == p)
                    return head.next;
                if (s == null || s.item != null)
                    return s;
                p = s;
            }
        }
    ​
        // 返回下一个节点
        public E next() {
            fullyLock();
            try {
                if (current == null)
                    throw new NoSuchElementException();
                E x = currentElement;
                lastRet = current;
                current = nextNode(current);
                currentElement = (current == null) ? null : current.item;
                return x;
            } finally {
                fullyUnlock();
            }
        }
    ​
        // 删除下一个节点
        public void remove() {
            if (lastRet == null)
                throw new IllegalStateException();
            fullyLock();
            try {
                Node<E> node = lastRet;
                lastRet = null;
                for (Node<E> trail = head, p = trail.next;
                     p != null;
                     trail = p, p = p.next) {
                    if (p == node) {
                        unlink(p, trail);
                        break;
                    }
                }
            } finally {
                fullyUnlock();
            }
        }
    }

    LinkedBlockingQueue示例

    import java.util.*;
    import java.util.concurrent.*;
    
    /*
     *   LinkedBlockingQueue是“线程安全”的队列,而LinkedList是非线程安全的。
     *
     *   下面是“多个线程同时操作并且遍历queue”的示例
     *   (01) 当queue是LinkedBlockingQueue对象时,程序能正常运行。
     *   (02) 当queue是LinkedList对象时,程序会产生ConcurrentModificationException异常。
     *
     */
    public class LinkedBlockingQueueDemo1 {
    
        // TODO: queue是LinkedList对象时,程序会出错。
        //private static Queue<String> queue = new LinkedList<>();
        private static Queue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<>();
        public static void main(String[] args) {
        
            // 同时启动两个线程对queue进行操作!
            new MyThread("ta").start();
            new MyThread("tb").start();
        }
    
        private static void printAll() {
            String value;
            Iterator iter = queue.iterator();
            while(iter.hasNext()) {
                value = (String)iter.next();
                System.out.print(value+", ");
            }
            System.out.println();
        }
    
        private static class MyThread extends Thread {
            MyThread(String name) {
                super(name);
            }
            @Override
            public void run() {
                    int i = 0;
                while (i++ < 6) {
                    // “线程名” + "-" + "序号"
                    String val = Thread.currentThread().getName()+i;
                    queue.add(val);
                    // 通过“Iterator”遍历queue。
                    printAll();
                }
            }
        }
    }

    其中一次运行结果:

    tb1, ta1, 
    tb1, ta1, ta2, 
    tb1, ta1, ta2, ta3, 
    tb1, ta1, ta2, ta3, ta4, 
    tb1, ta1, tb1, ta2, ta1, ta3, ta2, ta4, ta3, ta5, 
    ta4, tb1, ta5, ta1, ta6, 
    ta2, tb1, ta3, ta1, ta4, ta2, ta5, ta3, ta6, ta4, tb2, 
    ta5, ta6, tb2, 
    tb1, ta1, ta2, ta3, ta4, ta5, ta6, tb2, tb3, 
    tb1, ta1, ta2, ta3, ta4, ta5, ta6, tb2, tb3, tb4, 
    tb1, ta1, ta2, ta3, ta4, ta5, ta6, tb2, tb3, tb4, tb5, 
    tb1, ta1, ta2, ta3, ta4, ta5, ta6, tb2, tb3, tb4, tb5, tb6,

    结果说明: 示例程序中,启动两个线程(线程ta和线程tb)分别对LinkedBlockingQueue进行操作。以线程ta而言,它会先获取“线程名”+“序号”,然后将该字符串添加到LinkedBlockingQueue中;接着,遍历并输出LinkedBlockingQueue中的全部元素。 线程tb的操作和线程ta一样,只不过线程tb的名字和线程ta的名字不同。 当queue是LinkedBlockingQueue对象时,程序能正常运行。如果将queue改为LinkedList时,程序会产生ConcurrentModificationException异常。

     

    参考:https://github.com/wangzhiwubigdata/

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