数组阻塞队列(ArrayBlockingQueue)源码解读与分析

原创
01/15 10:32
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生产者消费者模式最核心的部分是生产者与消费者之间的特殊容器,而阻塞队列是特殊容器最常见的实现。JDK中定义了阻塞队列接口BlockingQueue,JDK通过该接口为我们提供了很多种阻塞队列的实现,其中包括本节的主角ArrayBlockingQueue,该类位于java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue.java。该类需要实现的核心方法如下,下面我们详细分析ArrayBlockingQueue的实现原理。

从名字可以看出它的存储结构就是一个数组,即基于数组实现了一个FIFO的阻塞队列。新元素都插入到队列尾部,于是最先进入的元素在队列头而最后进入的元素在队列尾部。该数组是有界的,所以构造时需要制定数组的大小。此外,该阻塞队列还提供公平和非公平两种模式。

使用例子

在分析 ArrayBlockingQueue的实现原理之前我们先通过几个例子来了解它的使用。例子一中我们创建了一个 ArrayBlockingQueue对象,然后通过五个线程去生产数据并put到阻塞队列,二主线程则充当消费端,不断将阻塞队列中的数据取出消费。程序输出如下:

主要展示了阻塞队列空间满了产生阻塞,我们创建一个最大长度为4的阻塞队列,然后通过五个线程分别产生一个数据put到阻塞队列中,但由于阻塞队列最大长度为4,所以在put四个数据后会产生阻塞。

主要展示了阻塞队列为空时产生阻塞,我们创建一个最大长度为10的阻塞队列,然后没有生产者产生数据,却又一个消费者调用take消费数据。由于阻塞队列为空,所以产生了阻塞。

实现原理

我们先看 ArrayBlockingQueue类的属性和构造函数。其中count变量表示队列的长度大小,takeIndex和putIndex分别表示队列入队和出队的索引,items是一个Object数组用于保存队列的元素,lock是并发控制锁,notEmpty和notFull分别表示队列非空时和非满时的条件。提供两个构造函数,我们在创建时指定队列的大小,另外一个是公平模式参数,默认是非公平的。锁对象使用的是ReentrantLock对象,公平机制也使用的是它的,它的公平机制我们在前面的章节中已经深入分析过了。notEmpty和notFull条件对象通过锁对象的newCondition创建。

put和take方法是阻塞队列的入队和出队方法,它们会间接调用enqueue和dequeue方法。其中put方法会检查入队的元素不能为null,需要先获取锁后才执行enqueue方法维护数组,如果数组长度已经达到最大长度则调用notFull条件的await方法等待。take方法会先获取锁后才执行dequeue方法维护数组,如果数组长度为0则调用notEmpty条件的await方法等待。

offer和poll方法则是支持超时的阻塞队列的入队和出队方法,可以看到主要的区别就在于它们分别调用了notFull和notEmpty条件的awaitNanos方法进行等待。入队时如果超过指定的超时时间则会返回false,表示入队超时导致失败。而出队时如果超过指定的超时时间则会返回null,表示出队超时导致失败。

总结 

围绕着JDK中BlockingQueue的其中一种实现,即ArrayBlockingQueue。它的基本结构是使用数组来保存阻塞队列的元素,数组的长度有限制,并且提供了公平和非公平模式。对它的实现原理进行分析,为了方便我们仅保留了ArrayBlockingQueue最核心的源码,只有我们能理解透彻这些内容就已经能掌握它的实现原理了。推荐阅读

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