Java concurrency集合之ArrayBlockingQueue_动力节点Java学院整理

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ArrayBlockingQueue介绍

ArrayBlockingQueue是数组实现的线程安全的有界的阻塞队列。

线程安全是指，ArrayBlockingQueue内部通过“互斥锁”保护竞争资源，实现了多线程对竞争资源的互斥访问。而有界，则是指ArrayBlockingQueue对应的数组是有界限的。 阻塞队列，是指多线程访问竞争资源时，当竞争资源已被某线程获取时，其它要获取该资源的线程需要阻塞等待；而且，ArrayBlockingQueue是按 FIFO（先进先出）原则对元素进行排序，元素都是从尾部插入到队列，从头部开始返回。

注意：ArrayBlockingQueue不同于ConcurrentLinkedQueue，ArrayBlockingQueue是数组实现的，并且是有界限的；而ConcurrentLinkedQueue是链表实现的，是无界限的。

ArrayBlockingQueue原理和数据结构

ArrayBlockingQueue的数据结构，如下图所示：

说明：

1. ArrayBlockingQueue继承于AbstractQueue，并且它实现了BlockingQueue接口。

2. ArrayBlockingQueue内部是通过Object[]数组保存数据的，也就是说ArrayBlockingQueue本质上是通过数组实现的。ArrayBlockingQueue的大小，即数组的容量是创建ArrayBlockingQueue时指定的。

3. ArrayBlockingQueue与ReentrantLock是组合关系，ArrayBlockingQuhttp://eue中包含一个ReentrantLock对象(lock)。

ReentrantLock是可重入的互斥锁，ArrayBlockingQueue就是根据该互斥锁实现“多线程对竞争资源的互斥访问”。而且，ReentrantLock分为公平锁和非公平锁cKSKDNdd，关于具体使用公平锁还是非公平锁，在创建ArrayBlockingQueue时可以指定；而且，ArrayBlockingQueue默认会使用非公平锁。

4. ArrayBlockingQueue与Condition是组合关系，ArrayBlockingQueue中包含两个Condition对象(notEmpty和notFull)。而且，Condition又依赖于ArrayBlockingQueue而存在，通过Condition可以实现对ArrayBlockingQueue的更精确的访问 -- (01)若某线程(线程A)要取数据时，数组正好为空，则该线程会执行notEmpty.await()进行等待；当其它某个线程(线程B)向数组中插入了数据之后，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。(02)若某线程(线程H)要插入数据时，数组已满，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。

ArrayBlockingQueue函数列表

// 创建一个带有给定的（固定）容量和默认访问策略的 ArrayBlockingQueue。

ArrayBlockingQueue(int capacity)

// 创建一个具有给定的（固定）容量和指定访问策略的 ArrayBlockingQueue。

ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair)

// 创建一个具有给定的（固定）容量和指定访问策略的 ArrayBlockingQueue，它最初包含给定 collection 的元素，并以 collection 迭代器的遍历顺序添加元素。

ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair, Collection extends E> c)

// 将指定的元素插入到此队列的尾部（如果立即可行且不会超过该队列的容量），在成功时返回 true，如果此队列已满，则抛出 IllegalStateException。

boolean add(E e)

// 自动移除此队列中的所有元素。

void clear()

// 如果此队列包含指定的元素，则返回 true。

boolean contains(Object o)

// 移除此队列中所有可用的元素，并将它们添加到给定 collection 中。

int drainTo(Collection super E> c)

// 最多从此队列中移除给定数量的可用元素，并将这些元素添加到给定 collection 中。

int drainTo(Collection super E> c, int maxElements)

// 返回在此队列中的元素上按适当顺序进行迭代的迭代器。

Iterator iterator()

// 将指定的元素插入到此队列的尾部（如果立即可行且不会超过该队列的容量），在成功时返回 true，如果此队列已满，则返回 false。

boolean offer(E e)

// 将指定的元素插入此队列的尾部，如果该队列已满，则在到达指定的等待时间之前等待可用的空间。

boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)

// 获取但不移除此队列的头；如果此队列为空，则返回 null。

E peek()

// 获取并移除此队列的头，如果此队列为空，则返回 null。

E poll()

// 获取并移除此队列的头部，在指定的等待时间前等待可用的元素（如果有必要）。

E poll(long timeout, TimeUnit unit)

// 将指定的元素插入此队列的尾部，如果该队列已满，则等待可用的空间。

void put(E e)

// 返回在无阻塞的理想情况下（不存在内存或资源约束）此队列能接受的其他元素数量。

int remainingCapacity()

// 从此队列中移除指定元素的单个实例（如果存在）。

boolean remove(Object o)

// 返回此队列中元素的数量。

int size()

// 获取并移除此队列的头部，在元素变得可用之前一直等待（如果有必要）。

E take()

// 返回一个按适当顺序包含此队列中所有元素的数组。

Object[] toArray()

// 返回一个按适当顺序包含此队列中所有元素的数组；返回数组的运行时类型是指定数组的运行时类型。

T[] toArray(T[] a)

// 返回此 collection 的字符串表示形式。

String toString()

下面从ArrayBlockingQueue的创建，添加，取出，遍历这几个方面对ArrayBlockingQueue进行分析。

1. 创建

下面以ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair)来进行说明。

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();

}

说明：

(01) items是保存“阻塞队列”数据的数组。它的定义如下：

final Object[] items;

(02) fair是“可重入的独占锁(ReentrantLock)”的类型。fair为true，表示是公平锁；fair为false，表示是非公平锁。

notEmpty和notFull是锁的两个Condition条件。它们的定义如下：

final ReentrantLock lock;

private final Condition notEmpty;

private final Condition notFull;

Lock的作用是提供独占锁机制，来保护竞争资源；而Condition是为了更加精细的对锁进行控制，它依赖于Lock，通过某个条件对多线程进行控制。

notEmpty表示“锁的非空条件”。当某线程想从队列中取数据时，而此时又没有数据，则该线程通过notEmpty.await()进行等待；当其它线程向队列中插入了元素之后，就调用notEmpty.signal()唤醒“之前通过notEmpty.await()进入等待状态的线程”。

同理，notFull表示“锁的满条件”。当某线程想向队列中插入元素，而此时队列已满时，该线程等待；当其它线程从队列中取出元素之后，就唤醒该等待的线程。

2. 添加

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

public boolean offer(E e) {

// 创建插入的元素是否为null，是的话抛出NullPointerException异常

checkNotNull(e);

// 获取“该阻塞队列的独占锁”

final ReentrantLock lock = this.lock;

lock.lock();

try {

// 如果队列已满，则返回false。

if (count == items.length)

return false;

else {

// 如果队列未满，则插入e，并返回true。

insert(e);

return true;

}

} finally {

// 释放锁

lock.unlock();

}

}

说明：offer(E e)的作用是将e插入阻塞队列的尾部。如果队列已满，则返回false，表示插入失败；否则，插入元素，并返回true。

(01) count表示”队列中的元素个数“。除此之外，队列中还有另外两个遍历takeIndex和putIndex。takeIndex表示下一个被取出元素的索引，putIndex表示下一个被添加元素的索引。它们的定义如下：

// 队列中的元素个数

int takeIndex;

// 下一个被取出元素的索引

int putIndex;

// 下一个被添加元素的索引

int count;

(02) insert()的源码如下：

private void insert(E x) {

// 将x添加到”队列“中

items[putIndex] = x;

// 设置”下一个被取出元素的索引“

putIndex = inc(putIndex);

// 将”队列中的元素个数”+1

++count;

// 唤醒notEmpty上的等待线程

notEmpty.signal();

}

insert()在插入元素之后，会唤醒notEmpty上面的等待线程。

inc()的源码如下：

final int inc(int i) {

return (++i == items.length) ? 0 : i;

}

若i+1的值等于“队列的长度”，即添加元素之后，队列满；则设置“下一个被添加元素的索引”为0。

3. 取出

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

public E take() throws InterruptedException {

// 获取“队列的独占锁”

final ReentrantLock lock = this.lock;

// 获取“锁”，若当前线程是中断状态，则抛出InterruptedException异常

lock.lockInterruptibly();

try {

// 若“队列为空”，则一直等待。

while (count == 0)

notEmpty.await();

// 取出元素

return extract();

} finally {

// 释放“锁”

lock.unlock();

}

}

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。

extract()的源码如下：

private E extract() {

final Object[] items = this.items;

// 强制将元素转换为“泛型E”

E x = this.cast(items[takeIndex]);

// 将第takeIndex元素设为null，即删除。同时，帮助GC回收。

items[takeIndex] = null;

// 设置“下一个被取出元素的索引”

takeIndex = inc(takeIndex);

// 将“队列中元素数量”-1

--count;

// 唤醒notFull上的等待线程。

notFull.signal();

return x;

}

说明：extract()在删除元素之后，会唤醒notFull上的等待线程。

4. 遍历

下面对ArrayBlockingQueue的遍历方法进行说明。

public Iterator iterator() {

return new Itr();

}

Itr是实现了Iterator接口的类，它的源码如下：

private class Itr implements Iterator {

// 队列中剩余元素的个数

private int remaining; // Number of elements yet to be returned

// 下一次调用next()返回的元素的索引

private int nextIndex; // Index of element to be returned by next

// 下一次调用next()返回的元素

private E nextItem; // Element to be returned by next chttp://all to next

// 上一次调用next()返回的元素

private E lastItem; // Element returned by last call to next

// 上一次调用next()返回的元素的索引

private int lastRet; // Index of last element returned, or -1 if none

Itr() {

// 获取“阻塞队列”的锁

final ReentrantLock lock = ArrayBlockingQueue.this.lock;

lock.lock();

try {

lastRet = -1;

if ((remaining = count) > 0)

nextItem = itemAt(nextIndex = takeIndex);

} finally {

// 释放“锁”

lock.unlock();

}

}

public boolean hasNext() {

return remaining > 0;

}

public E next() {

// 获取“阻塞队列”的锁

final ReentrantLock lock = ArrayBlockingQueue.this.lock;

lock.lock();

try {

// 若“剩余元素<=0”，则抛出异常。

if (remaining <= 0)

throw new NoSuchElementException();

lastRet = nextIndex;

// 获取第nextIndex位置的元素

E x = itemAt(nextIndex); // check for fresher value

if (x == null) {

x = nextItem; // we are forced to report old value

lastItem = null; // but ensure remove fails

}

else

lastItem = x;

while (--remaining > 0 && // skip over nulls

(nextItem = itemAt(nextIndex = inc(nextIndex))) == null)

;

return x;

} finally {

lock.unlock();

}

}

public void remove() {

final ReentrantLock lock = ArrayBlockingQueue.this.lock;

lock.lock();

try {

int i = lastRet;

if (i == -1)

throw new IllegalStateException();

lastRet = -1;

E x = lastItem;

lastItem = null;

// only remove if item still at index

if (x != null && x == items[i]) {

boolean removingHead = (i == takeIndex);

removeAt(i);

if (!removingHead)

nextIndex = dec(nextIndex);

}

} finally {

lock.unlock();

}

}

}

ArrayBlockingQueue示例

import java.util.*;

import java.util.concurrent.*;

/*

* ArrayBlockingQueue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ArrayBlockingQueue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 ArrayBlockingQueueDemo1{

// TODO: queue是LinkedList对象时，程序会出错。

//private static Queue queue = new LinkedList();

private static Queue queue = new ArrayBlockingQueue(20);

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;

cKSKDNdd while (i++ < 6) {

// “线程名” + "-" + "序号"

String val = Thread.currentThread().getName()+i;

queue.add(val);

// 通过“Iterator”遍历queue。

printAll();

}

}

}

}

(某一次)运行结果：

ta1, ta1,

tb1, ta1,

tb1, ta1, ta2,

tb1, ta1, ta2, tb1, tb2,

ta2, ta1, tb2, tb1, ta3,

ta2, ta1, tb2, tb1, ta3, ta2, tb3,

tb2, ta1, ta3, tb1, tb3, ta2, ta4,

tb2, ta1, ta3, tb1, tb3, ta2, ta4, tb2, tb4,

ta3, ta1, tb3, tb1, ta4, ta2, tb4, tb2, ta5,

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

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

tb3, ta4, tb4, ta5, tb5, ta6, tb6,

结果说明：如果将源码中的queue改成LinkedList对象时，程序会产生ConcurrentModificationException异常。

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