详细分析Java并发集合ArrayBlockingQueue的用法
在上一章中,我们介绍了阻塞队列BlockingQueue,下面我们介绍它的常用实现类ArrayBlockingQueue。
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一. 用数组来实现队列
因为队列这种数据结构的特殊要求,所以它天然适合用链表的方式来实现,用两个变量分别记录链表头和链表尾,当删除或插入队列时,只要改变链表头或链表尾就可以了,而且链表使用引用的方式链接的,所以它的容量几乎是无限的。
那么怎么使用数组来实现队列,我们需要四个变量:Object[] array来存储队列中元素,headIndex和tailIndex分别记录队列头和队列尾,count记录队列的个数。
- 因为数组的长度是固定,所以当count==array.length时,表示队列已经满了,当count==0的时候,表示队列是空的。
- 当添加元素的时候,将array[tailIndex] = e将tailIndex位置设置成新元素,之后将tailIndex++自增,然后将count++自增。但是有两点需要注意,在添加之前必须先判断队列是否已满,不然会出现覆盖已有元素。当tailIndex的值等于数组最后一个位置的时候,需要将tailIndex=0,循环利用数组
- 当删除元素的时候,将先记录下array[headIndex] 元素,之后将headIndex++自增,然后将count--自减。但是有两点需要注意要注意,在删除之前,必须先判断队列是否为空,不然可能会删除已删除的元素。
这里用了一个很巧妙的方式,我们知道当向队列中插入一个元素,那么就占用了数组的一个位置,当删除一个元素的时候,那么其实数组的这个位置就空闲出来了,表示这个位置又可以插入新元素了。
所以我们插入新元素前,必须检查队列是否已满,删除元素之前,必须检查队列是否为空。
二. ArrayBlockingQueue中重要成员变量
/** 储存队列的中元素 */ final Object[] items; /** 队列头的位置 */ int takeIndex; /** 队列尾的位置 */ int putIndex; /** 当前队列拥有的元素个数 */ int count; /** 用来保证多线程操作共享变量的安全问题 */ final ReentrantLock lock; /** 当队列为空时,就会调用notEmpty的wait方法,让当前线程等待 */ private final Condition notEmpty; /** 当队列为满时,就会调用notFull的wait方法,让当前线程等待 */ private final Condition notFull;
就是多了lock、notEmpty、notFull变量来实现多线程安全和线程等待条件的,它们三个是怎么操作的呢?
2.1 lock的作用
因为ArrayBlockingQueue是在多线程下操作的,所以修改items、takeIndex、putIndex和count这些成员变量时,必须要考虑多线程安全问题,所以这里使用lock独占锁,来保证并发操作的安全。
2.2 notEmpty与notFull的作用
因为阻塞队列必须实现,当队列为空或队列已满的时候,队列的读取或插入操作要等待。所以我们想到了并发框架下的Condition对象,使用它来控制。
在AQS中,我们介绍了这个类的作用:
- await系列方法,会释放当前锁,并让当前线程等待。
- signal与signalAll方法,会唤醒当前线程。其实它并不是唤醒当前线程,而是将在这个Condition条件上等待的线程,添加到lock锁上的等待线程池中,所以当锁被释放时,会唤醒lock锁上的等待线程池中一个线程。具体在AQS中有源码分析。
三. 添加元素方法
3.1 add(E e)与offer(E e)方法:
// 调用AbstractQueue父类中的方法。 public boolean add(E e) { // 通过调用offer来时实现 if (offer(e)) return true; else throw new IllegalStateException("Queue full"); } //向队列末尾新添加元素。返回true表示添加成功,false表示添加失败,不会抛出异常 public boolean offer(E e) { checkNotNull(e); final ReentrantLock lock = this.lock; // 使用lock来保证,多线程修改成员属性的安全 lock.lock(); try { // 队列已满,添加元素失败,返回false。 if (count == items.length) return false; else { // 调用enqueue方法将元素插入队列中 enqueue(e); return true; } } finally { lock.unlock(); } }
add方法是调用offer方法实现的。在offer方法中,必须先判断队列是否已满,如果已满就直接返回false,而不会阻塞当前线程。如果不满就调用enqueue方法将元素插入队列中。
注意:这里使用lock.lock()是保证同一时间只有一个线程修改成员变量,防止出现并发操作问题。虽然它也会阻塞当前线程,但是它并不是条件等待,只是因为锁被其他线程持有,而ArrayBlockingQueue中方法操作时间都不长,这里相当于不阻塞线程。
3.2 put方法
// 向队列末尾新添加元素,如果队列已满,当前线程就等待。响应中断异常 public void put(E e) throws InterruptedException { checkNotNull(e); final ReentrantLock lock = this.lock; // 使用lock来保证,多线程修改成员属性的安全 lock.lockInterruptibly(); try { // 队列已满,则调用notFull.await()方法,让当前线程等待,直到队列不是满的 while (count == items.length) notFull.await(); // 调用enqueue方法将元素插入队列中 enqueue(e); } finally { lock.unlock(); } }
与offer方法大体流程一样,只是当队列已满的时候,会调用notFull.await()方法,让当前线程阻塞等待,直到队列被别的线程移除了元素,队列不满的时候,会唤醒这个等待线程。
3.3 offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)方法
/** * 向队列末尾新添加元素,如果队列中没有可用空间,当前线程就等待, * 如果等待时间超过timeout了,那么返回false,表示添加失败 */ public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { checkNotNull(e); // 计算一共最多等待的时间值nanos long nanos = unit.toNanos(timeout); final ReentrantLock lock = this.lock; // 使用lock来保证,多线程修改成员属性的安全 lock.lockInterruptibly(); try { // 队列已满 while (count == items.length) { // nanos <= 0表示最大等待时间已到,那么不用再等待了,返回false,表示添加失败。 if (nanos <= 0) return false; // 调用notFull.awaitNanos(nanos)方法,超时nanos时间会被自动唤醒, // 如果被提前唤醒,那么返回剩余的时间 nanos = notFull.awaitNanos(nanos); } // 调用enqueue方法将元素插入队列中 enqueue(e); return true; } finally { lock.unlock(); } }
与put的方法大体流程一样,只不过是调用notFull.awaitNanos(nanos)方法,让当前线程等待,并设置等待时间。
四. 删除元素方法
4.1 remove()和poll()方法:
// 调用AbstractQueue父类中的方法。 public E remove() { // 通过调用poll来时实现 E x = poll(); if (x != null) return x; else throw new NoSuchElementException(); } // 删除队列第一个元素(即队列头),并返回它。如果队列是空的,它不会抛出异常,而是会返回null。 public E poll() { final ReentrantLock lock = this.lock; // 使用lock来保证,多线程修改成员属性的安全 lock.lock(); try { // 如果count == 0,列表为空,就返回null,否则调用dequeue方法,返回列表头元素 return (count == 0) ? null : dequeue(); } finally { lock.unlock(); } }
remove方法是调用poll()方法实现的。在 poll()方法中,如果列表为空,就返回null,否则调用dequeue方法,返回列表头元素。
4.2 take()方法
/** * 返回并移除队列第一个元素,如果队列是空的,就前线程就等待。响应中断异常 */ public E take() throws InterruptedException { final ReentrantLock lock = this.lock; // 使用lock来保证,多线程修改成员属性的安全 lock.lockInterruptibly(); try { // 如果队列为空,就调用notEmpty.await()方法,让当前线程等待。 // 直到有别的线程向队列中插入元素,那么这个线程会被唤醒。 while (count == 0) notEmpty.await(); // 调用dequeue方法,返回列表头元素 return dequeue(); } finally { lock.unlock(); } }
take()方法当队列为空的时候,当前线程必须等待,直到有别的线程向队列中插入新元素,那么这个线程会被唤醒。
4.3 poll(long timeout, TimeUnit unit)方法
/** * 返回并移除队列第一个元素,如果队列是空的,就前线程就等待。 * 如果等待时间超过timeout了,那么返回false,表示获取元素失败 */ public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { // 计算一共最多等待的时间值nanos long nanos = unit.toNanos(timeout); final ReentrantLock lock = this.lock; // 使用lock来保证,多线程修改成员属性的安全 lock.lockInterruptibly(); try { // 队列为空 while (count == 0) { // nanos <= 0表示最大等待时间已到,那么不用再等待了,返回null。 if (nanos <= 0) return null; // 调用notEmpty.awaitNanos(nanos)方法让档期线程等待,并设置超时时间。 nanos = notEmpty.awaitNanos(nanos); } // 调用dequeue方法,返回列表头元素 return dequeue(); } finally { lock.unlock(); } }
与take()方法流程一样,只不过调用awaitNanos(nanos)方法,让当前线程等待,并设置等待时间。
五. 查看元素的方法
5.1 element()与peek() 方法
// 调用AbstractQueue父类中的方法。 public E element() { E x = peek(); if (x != null) return x; else throw new NoSuchElementException(); } // 查看队列头元素 public E peek() { final ReentrantLock lock = this.lock; // 使用lock来保证,多线程修改成员属性的安全 lock.lock(); try { // 返回当前队列头的元素 return itemAt(takeIndex); // null when queue is empty } finally { lock.unlock(); } }
六. 其他重要方法
6.1 enqueue和dequeue方法
// 将元素x插入队列尾 private void enqueue(E x) { // assert lock.getHoldCount() == 1; // assert items[putIndex] == null; //当前putIndex位置元素一定是null final Object[] items = this.items; items[putIndex] = x; // 如果putIndex等于items.length,那么将putIndex重新设置为0 if (++putIndex == items.length) putIndex = 0; // 队列数量加一 count++; // 因为插入一个元素,那么当前队列肯定不为空,那么唤醒在notEmpty条件下等待的一个线程 notEmpty.signal(); } // 删除队列头的元素,返回它 private E dequeue() { // assert lock.getHoldCount() == 1; // assert items[takeIndex] != null; final Object[] items = this.items; // 得到当前队列头的元素 @SuppressWarnings("unchecked") E x = (E) items[takeIndex]; // 将当前队列头位置设置为null items[takeIndex] = null; if (++takeIndex == items.length) takeIndex = 0; // 队列数量减一 count--; if (itrs != null) itrs.elementDequeued(); // 因为删除了一个元素,那么队列肯定不满了,那么唤醒在notFull条件下等待的一个线程 notFull.signal(); return x; }
这两个方法分别代表,向队列中插入元素和从队列中删除元素。而且它们要唤醒等待的线程。当插入元素后,那么队列一定不为空,那么就要唤醒在notEmpty条件下等待的线程。当删除元素后,那么队列一定不满,那么就要唤醒在notFull条件下等待的线程。
6.2 remove(Object o)方法
// 删除队列中对象o元素,最多删除一条 public boolean remove(Object o) { if (o == null) return false; final Object[] items = this.items; // 使用lock来保证,多线程修改成员属性的安全 final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock(); try { // 当队列中有值的时候,才进行删除。 if (count > 0) { // 队列尾下一个位置 final int putIndex = this.putIndex; // 队列头的位置 int i = takeIndex; do { // 当前位置元素与被删除元素相同 if (o.equals(items[i])) { // 删除i位置元素 removeAt(i); // 返回true return true; } if (++i == items.length) i = 0; // 当i==putIndex表示遍历完所有元素 } while (i != putIndex); } return false; } finally { lock.unlock(); } }
从队列中删除指定对象o,那么就要遍历队列,删除第一个与对象o相同的元素,如果队列中没有对象o元素,那么返回false删除失败。
这里有两点需要注意:
如何遍历队列,就是从队列头遍历到队列尾。就要靠takeIndex和putIndex两个变量了。
为什么Object[] items = this.items;这句代码没有放到同步锁lock代码块内。items是成员变量,那么多线程操作的时候,不会有并发问题么?
这个是因为items是个引用变量,不是基本数据类型,而且我们对队列的插入和删除操作,都是针对这一个items数组,没有改变数组的引用,所以在lock代码中,items会得到其他线程对它最新的修改。但是如果这里将int putIndex = this.putIndex;方法lock代码块外面,就会产生问题。
removeAt(final int removeIndex)方法
// 删除队列removeIndex位置的元素 void removeAt(final int removeIndex) { // assert lock.getHoldCount() == 1; // assert items[removeIndex] != null; // assert removeIndex >= 0 && removeIndex < items.length; final Object[] items = this.items; // 表示删除元素是列表头,就容易多了,与dequeue方法流程差不多 if (removeIndex == takeIndex) { // 移除removeIndex位置元素 items[takeIndex] = null; // 到了数组末尾,就要转到数组头位置 if (++takeIndex == items.length) takeIndex = 0; // 队列数量减一 count--; if (itrs != null) itrs.elementDequeued(); } else { // an "interior" remove final int putIndex = this.putIndex; for (int i = removeIndex;;) { int next = i + 1; if (next == items.length) next = 0; // 还没有到队列尾,那么就将后一个位置元素覆盖前一个位置的元素 if (next != putIndex) { items[i] = items[next]; i = next; } else { // 将队列尾元素置位null items[i] = null; // 重新设置putIndex的值 this.putIndex = i; break; } } // 队列数量减一 count--; if (itrs != null) itrs.removedAt(removeIndex); } // 因为删除了一个元素,那么队列肯定不满了,那么唤醒在notFull条件下等待的一个线程 notFull.signal(); }
在队列中删除指定位置的元素。需要注意的是删除之后的数组还能保持队列形式,分为两种情况:
- 如果删除位置是队列头,那么简单,只需要将队列头的位置元素设置为null,将将队列头位置加一。
- 如果删除位置不是队列头,那么麻烦了,这个时候,我们就要将从removeIndex位置后的元素全部左移一位,覆盖前一个元素。最后将原来队列尾的元素置位null。
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