Java線程隊列LinkedBlockingQueue的使用
一、定義
LinkedBlockingQueue繼承自AbstractQueue,實現了BlockingQueue,Serializable接口。
- LinkedBlockingQueue是一個基于已鏈接節(jié)點的，范圍任意的blocking queue
- 此隊列按FIFO（先進先出）排序元素
- 新元素插入到隊列的尾部，并且隊列獲取操作會獲得位于隊列頭部的元素
- 鏈接隊列的吞吐量通常要高于基于數組的對列（ArrayBlockingQueue）,但是在大多數并發(fā)應用程序中，其可預知的性能要低
- 可選的容量范圍構造方法參數作為防止隊列過度擴展的一種方法，如果未指定容量，則等于Integer.MAX_VALUE，除非插入節(jié)點會使隊列超出容量，否則每次插入后會動態(tài)地創(chuàng)建鏈接節(jié)點
二、比對分析
阻塞隊列大致可以分為這幾種：ArrayBlockingQueue，LinkedBlockingQueue，ConcurrentLinkedQueue，DelayQueue，LinkedTransferQueue，SynchronusQueue。
ArrayBlockingQueue--數組實現的有界隊列
會自動阻塞，根據調用api不同，有不同特性，當隊列容量不足時，有阻塞能力。
boolean add(E e)：在容量不足時，拋出異常。
void put(E e)：在容量不足時，阻塞等待。
boolean offer(E e)：不阻塞，容量不足時返回false，當前新增數據操作放棄。
boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit）：容量不足時，阻塞times時長（單位為timeunit），如果在阻塞時長內，有容量空閑，新增數據返回true。如果阻塞時長范圍內，無容量空閑，放棄新增數據，返回false。
LinkedBlockingQueue--鏈式隊列，隊列容量不足或為0時自動阻塞
void put(E e)：自動阻塞，隊列容量滿后，自動阻塞。
E take()：自動阻塞，隊列容量為0后，自動阻塞。
ConcurrentLinkedQueue--基礎鏈表同步隊列
boolean offer(E e)：入隊。
E peek()：查看queue中的首數據。
E poll()：取出queue中的首數據。
DelayQueue--延時隊列
根據比較機制，實現自定義處理順序的隊列。常用于定時任務，如：定時關機。
int compareTo(Delayed o)：比較大小，自動升序。
比較方法建議和getDelay方法配合完成。如果在DelayQueue是需要按時完成的計劃任務，必須配合getDelay方法完成。
long getDelay(TimeUnit unit)：獲取計劃時長的方法，根據參數TimeUnit來決定，如何返回結果值。
LinkedTransferQueue--轉移隊列
boolean add(E e)：隊列會保存數據，不做阻塞等待。
void transfer(E e)：是TransferQueue的特有方法。必須有消費者（take()方法調用者）。如果沒有任意線程消費數據，transfer方法阻塞。一般用于處理及時消息。
SynchronousQueue--同步隊列，容量為0
是特殊的TransferQueue，必須先有消費線程等待，才能使用的隊列。
boolean add(E e)：父類方法，無阻塞，若沒有消費線程阻塞等待數據，則拋出異常。
put(E e)：有阻塞，若沒有消費線程阻塞等待數據，則阻塞。
三、源碼解讀
屬性
/**
* 節(jié)點類，用于存儲數據
*/
static class Node<E> {
E item;
Node<E> next;
Node(E x) { item = x; }
}
/** 阻塞隊列的大小，默認為Integer.MAX_VALUE */
private final int capacity;
/** 當前阻塞隊列中的元素個數 */
private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();
/**
* 阻塞隊列的頭結點
*/
transient Node<E> head;
/**
* 阻塞隊列的尾節(jié)點
*/
private transient Node<E> last;
/** 獲取并移除元素時使用的鎖，如take, poll, etc */
private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();
/** notEmpty條件對象，當隊列沒有數據時用于掛起執(zhí)行刪除的線程 */
private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();
/** 添加元素時使用的鎖如 put, offer, etc */
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();
/** notFull條件對象，當隊列數據已滿時用于掛起執(zhí)行添加的線程 */
private final Condition notFull = putLock.newCondition();從上面的屬性我們知道，每個添加到LinkedBlockingQueue隊列中的數據都將被封裝成Node節(jié)點，添加的鏈表隊列中，其中head和last分別指向隊列的頭結點和尾結點。與ArrayBlockingQueue不同的是，LinkedBlockingQueue內部分別使用了takeLock 和 putLock 對并發(fā)進行控制，也就是說，添加和刪除操作并不是互斥操作，可以同時進行，這樣也就可以大大提高吞吐量。
這里如果不指定隊列的容量大小，也就是使用默認的Integer.MAX_VALUE，如果存在添加速度大于刪除速度時候，有可能會內存溢出，這點在使用前希望慎重考慮。
另外，LinkedBlockingQueue對每一個lock鎖都提供了一個Condition用來掛起和喚醒其他線程。
構造函數
public LinkedBlockingQueue() {
// 默認大小為Integer.MAX_VALUE
this(Integer.MAX_VALUE);
}
public LinkedBlockingQueue(int capacity) {
if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
this.capacity = capacity;
last = head = new Node<E>(null);
}
public LinkedBlockingQueue(Collection<? extends E> c) {
this(Integer.MAX_VALUE);
final ReentrantLock putLock = this.putLock;
putLock.lock();
try {
int n = 0;
for (E e : c) {
if (e == null)
throw new NullPointerException();
if (n == capacity)
throw new IllegalStateException("Queue full");
enqueue(new Node<E>(e));
++n;
}
count.set(n);
} finally {
putLock.unlock();
}
}默認的構造函數和最后一個構造函數創(chuàng)建的隊列大小都為Integer.MAX_VALUE，只有第二個構造函數用戶可以指定隊列的大小。第二個構造函數最后初始化了last和head節(jié)點，讓它們都指向了一個元素為null的節(jié)點。
最后一個構造函數使用了putLock來進行加鎖，但是這里并不是為了多線程的競爭而加鎖，只是為了放入的元素能立即對其他線程可見。
方法
同樣，LinkedBlockingQueue也有著和ArrayBlockingQueue一樣的方法，我們先來看看入隊列的方法。
入隊方法
LinkedBlockingQueue提供了多種入隊操作的實現來滿足不同情況下的需求，入隊操作有如下幾種：
- void put(E e)；
- boolean offer(E e)；
- boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)。
put(E e)
public void put(E e) throws InterruptedException {
if (e == null) throw new NullPointerException();
int c = -1;
Node<E> node = new Node<E>(e);
final ReentrantLock putLock = this.putLock;
final AtomicInteger count = this.count;
// 獲取鎖中斷
putLock.lockInterruptibly();
try {
//判斷隊列是否已滿，如果已滿阻塞等待
while (count.get() == capacity) {
notFull.await();
}
// 把node放入隊列中
enqueue(node);
c = count.getAndIncrement();
// 再次判斷隊列是否有可用空間，如果有喚醒下一個線程進行添加操作
if (c + 1 < capacity)
notFull.signal();
} finally {
putLock.unlock();
}
// 如果隊列中有一條數據，喚醒消費線程進行消費
if (c == 0)
signalNotEmpty();
}小結put方法來看，它總共做了以下情況的考慮：
- 隊列已滿，阻塞等待。
- 隊列未滿，創(chuàng)建一個node節(jié)點放入隊列中，如果放完以后隊列還有剩余空間，繼續(xù)喚醒下一個添加線程進行添加。如果放之前隊列中沒有元素，放完以后要喚醒消費線程進行消費。
很清晰明了是不是？
我們來看看該方法中用到的幾個其他方法，先來看看enqueue(Node node)方法：
private void enqueue(Node<E> node) {
last = last.next = node;
}該方法可能有些同學看不太懂，我們用一張圖來看看往隊列里依次放入元素A和元素B，畢竟無圖無真相：
接下來我們看看signalNotEmpty，順帶著看signalNotFull方法。
private void signalNotEmpty() {
final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
takeLock.lock();
try {
notEmpty.signal();
} finally {
takeLock.unlock();
}
}
private void signalNotFull() {
final ReentrantLock putLock = this.putLock;
putLock.lock();
try {
notFull.signal();
} finally {
putLock.unlock();
}
}為什么要這么寫？因為signal的時候要獲取到該signal對應的Condition對象的鎖才行。
offer(E e)
public boolean offer(E e) {
if (e == null) throw new NullPointerException();
final AtomicInteger count = this.count;
if (count.get() == capacity)
return false;
int c = -1;
Node<E> node = new Node<E>(e);
final ReentrantLock putLock = this.putLock;
putLock.lock();
try {
// 隊列有可用空間，放入node節(jié)點，判斷放入元素后是否還有可用空間，
// 如果有，喚醒下一個添加線程進行添加操作。
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;
}可以看到offer僅僅對put方法改動了一點點，當隊列沒有可用元素的時候，不同于put方法的阻塞等待，offer方法直接方法false。
offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
if (e == null) throw new NullPointerException();
long nanos = unit.toNanos(timeout);
int c = -1;
final ReentrantLock putLock = this.putLock;
final AtomicInteger count = this.count;
putLock.lockInterruptibly();
try {
// 等待超時時間nanos，超時時間到了返回false
while (count.get() == capacity) {
if (nanos <= 0)
return false;
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;
}出隊方法
入隊列的方法說完后，我們來說說出隊列的方法。LinkedBlockingQueue提供了多種出隊操作的實現來滿足不同情況下的需求，如下：
- E take();
- E poll();
- E poll(long timeout, TimeUnit unit);
take()
public E take() throws InterruptedException {
E x;
int c = -1;
final AtomicInteger count = this.count;
final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
takeLock.lockInterruptibly();
try {
// 隊列為空，阻塞等待
while (count.get() == 0) {
notEmpty.await();
}
x = dequeue();
c = count.getAndDecrement();
// 隊列中還有元素，喚醒下一個消費線程進行消費
if (c > 1)
notEmpty.signal();
} finally {
takeLock.unlock();
}
// 移除元素之前隊列是滿的，喚醒生產線程進行添加元素
if (c == capacity)
signalNotFull();
return x;
}take方法看起來就是put方法的逆向操作，它總共做了以下情況的考慮：
- 隊列為空，阻塞等待。
- 隊列不為空，從隊首獲取并移除一個元素，如果消費后還有元素在隊列中，繼續(xù)喚醒下一個消費線程進行元素移除。如果放之前隊列是滿元素的情況，移除完后要喚醒生產線程進行添加元素。
我們來看看dequeue方法
可能有些童鞋鏈表算法不是很熟悉，我們可以結合注釋和圖來看就清晰很多了。
其實這個寫法看起來很繞，我們其實也可以這么寫：
private E dequeue() {
// 獲取到head節(jié)點
Node<E> h = head;
// 獲取到head節(jié)點指向的下一個節(jié)點，也就是節(jié)點A
Node<E> first = h.next;
// 獲取到下下個節(jié)點，也就是節(jié)點B
Node<E> next = first.next;
// head的next指向下下個節(jié)點，也就是圖中的B節(jié)點
h.next = next;
// 得到節(jié)點A的值
E x = first.item;
first.item = null; // help GC
first.next = first; // help GC
return x;
}poll()
public E poll() {
final AtomicInteger count = this.count;
if (count.get() == 0)
return null;
E x = null;
int c = -1;
final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
takeLock.lock();
try {
if (count.get() > 0) {
x = dequeue();
c = count.getAndDecrement();
if (c > 1)
notEmpty.signal();
}
} finally {
takeLock.unlock();
}
if (c == capacity)
signalNotFull();
return x;
}poll方法去除了take方法中元素為空后阻塞等待這一步驟，這里也就不詳細說了。同理，poll(long timeout, TimeUnit unit)也和offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)一樣，利用了Condition的awaitNanos方法來進行阻塞等待直至超時。這里就不列出來說了。
獲取元素方法
public E peek() {
if (count.get() == 0)
return null;
final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
takeLock.lock();
try {
Node<E> first = head.next;
if (first == null)
return null;
else
return first.item;
} finally {
takeLock.unlock();
}
}加鎖后，獲取到head節(jié)點的next節(jié)點，如果為空返回null，如果不為空，返回next節(jié)點的item值。
刪除元素方法
public boolean remove(Object o) {
if (o == null) return false;
// 兩個lock全部上鎖
fullyLock();
try {
// 從head開始遍歷元素，直到最后一個元素
for (Node<E> trail = head, p = trail.next;
p != null;
trail = p, p = p.next) {
// 如果找到相等的元素，調用unlink方法刪除元素
if (o.equals(p.item)) {
unlink(p, trail);
return true;
}
}
return false;
} finally {
// 兩個lock全部解鎖
fullyUnlock();
}
}
void fullyLock() {
putLock.lock();
takeLock.lock();
}
void fullyUnlock() {
takeLock.unlock();
putLock.unlock();
}因為remove方法使用兩個鎖全部上鎖，所以其他操作都需要等待它完成，而該方法需要從head節(jié)點遍歷到尾節(jié)點，所以時間復雜度為O(n)。我們來看看unlink方法。
void unlink(Node<E> p, Node<E> trail) {
// p的元素置為null
p.item = null;
// p的前一個節(jié)點的next指向p的next，也就是把p從鏈表中去除了
trail.next = p.next;
// 如果last指向p，刪除p后讓last指向trail
if (last == p)
last = trail;
// 如果刪除之前元素是滿的，刪除之后就有空間了，喚醒生產線程放入元素
if (count.getAndDecrement() == capacity)
notFull.signal();
}問題
看源碼的時候，我給自己拋出了一個問題。
- 為什么dequeue里的h.next不指向null，而指向h？
- 為什么unlink里沒有p.next = null或者p.next = p這樣的操作？這個疑問一直困擾著我，直到我看了迭代器的部分源碼后才豁然開朗，下面放出部分迭代器的源碼：
private Node<E> current;
private Node<E> lastRet;
private E currentElement;
Itr() {
fullyLock();
try {
current = head.next;
if (current != null)
currentElement = current.item;
} finally {
fullyUnlock();
}
}
private Node<E> nextNode(Node<E> p) {
for (;;) {
// 解決了問題1
Node<E> s = p.next;
if (s == p)
return head.next;
if (s == null || s.item != null)
return s;
p = s;
}
}迭代器的遍歷分為兩步，第一步加雙鎖把元素放入臨時變量中，第二部遍歷臨時變量的元素。也就是說remove可能和迭代元素同時進行，很有可能remove的時候，有線程在進行迭代操作，而如果unlink中改變了p的next，很有可能在迭代的時候會造成錯誤，造成不一致問題。這個解決了問題2。
而問題1其實在nextNode方法中也能找到，為了正確遍歷，nextNode使用了 s == p的判斷，當下一個元素是自己本身時，返回head的下一個節(jié)點。
四、總結
LinkedBlockingQueue是一個阻塞隊列，內部由兩個ReentrantLock來實現出入隊列的線程安全，由各自的Condition對象的await和signal來實現等待和喚醒功能。它和ArrayBlockingQueue的不同點在于：
- 隊列大小有所不同，ArrayBlockingQueue是有界的初始化必須指定大小，而LinkedBlockingQueue可以是有界的也可以是無界的(Integer.MAX_VALUE)，對于后者而言，當添加速度大于移除速度時，在無界的情況下，可能會造成內存溢出等問題。
- 數據存儲容器不同，ArrayBlockingQueue采用的是數組作為數據存儲容器，而LinkedBlockingQueue采用的則是以Node節(jié)點作為連接對象的鏈表。
- 由于ArrayBlockingQueue采用的是數組的存儲容器，因此在插入或刪除元素時不會產生或銷毀任何額外的對象實例，而LinkedBlockingQueue則會生成一個額外的Node對象。這可能在長時間內需要高效并發(fā)地處理大批量數據的時，對于GC可能存在較大影響。
- 兩者的實現隊列添加或移除的鎖不一樣，ArrayBlockingQueue實現的隊列中的鎖是沒有分離的，即添加操作和移除操作采用的同一個ReenterLock鎖，而LinkedBlockingQueue實現的隊列中的鎖是分離的，其添加采用的是putLock，移除采用的則是takeLock，這樣能大大提高隊列的吞吐量，也意味著在高并發(fā)的情況下生產者和消費者可以并行地操作隊列中的數據，以此來提高整個隊列的并發(fā)性能。
到此這篇關于Java線程隊列LinkedBlockingQueue的使用的文章就介紹到這了,更多相關Java LinkedBlockingQueue內容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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