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回归Java基础：LinkedBlockingQueue阻塞队列解析

以前干嘛去了 2022-10-14 阅读 211

标签: 出队空指针异常流程图虚拟化云计算

前言

整理了阻塞队列LinkedBlockingQueue的学习笔记，希望对大家有帮助。有哪里不正确，欢迎指出，感谢。

LinkedBlockingQueue的概述

LinkedBlockingQueue的继承体系图

我们先来看看LinkedBlockingQueue的继承体系。使用IntelliJ IDEA查看类的继承关系图形回归Java基础：LinkedBlockingQueue阻塞队列解析_出队

蓝色实线箭头是指类继承关系
绿色箭头实线箭头是指接口继承关系
绿色虚线箭头是指接口实现关系。

LinkedBlockingQueue实现了序列化接口 Serializable，因此它有序列化的特性。LinkedBlockingQueue实现了BlockingQueue接口，BlockingQueue继承了Queue接口，因此它拥有了队列Queue相关方法的操作。

LinkedBlockingQueue的类图

类图来自Java并发编程之美回归Java基础：LinkedBlockingQueue阻塞队列解析_空指针异常_02

LinkedBlockingQueue主要特性：

LinkedBlockingQueue底层数据结构为单向链表。
LinkedBlockingQueue 有两个Node节点，一个head节点，一个tail节点，只能从head取元素，从tail添加元素。
LinkedBlockingQueue 容量是一个原子变量count，它的初始值为0。
LinkedBlockingQueue有两把ReentrantLock的锁，一把控制元素入队，一把控制出队，保证在并发情况下的线程安全。
LinkedBlockingQueue 有两个条件变量，notEmpty 和 notFull。它们内部均有一个条件队列，存放着出入队列被阻塞的线程，这其实是生产者-消费者模型。

LinkedBlockingQueue的重要成员变量

//容量范围,默认值为 Integer.MAX_VALUE
private final int capacity;
//当前队列元素个数
private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();
//头结点
transient Node<E> head;
//尾节点
private transient Node<E> last;
//take, poll等方法的可重入锁
private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();
//当队列为空时，执行出队操作（比如take ）的线程会被放入这个条件队列进行等待
private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();
//put, offer等方法的可重入锁
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();
//当队列满时，执行进队操作（比如put）的线程会被放入这个条件队列进行等待
private final Condition notFull = putLock.newCondition();

LinkedBlockingQueue的构造函数

LinkedBlockingQueue有三个构造函数：

无参构造函数，容量为Integer.MAX
public LinkedBlockingQueue() {
this(Integer.MAX_VALUE);
}

2. 设置指定容量的构造器

public LinkedBlockingQueue(int capacity) {
if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
//设置队列大小
this.capacity = capacity;
//new一个null节点，head、tail节点指向该节点
last = head = new Node<E>(null);
}

3. 传入集合，如果调用该构造器，容量默认也是Integer.MAX_VALUE

public LinkedBlockingQueue(Collection<? extends E> c) {
//调用指定容量的构造器
this(Integer.MAX_VALUE);
//获取put, offer的可重入锁
final ReentrantLock putLock = this.putLock;
putLock.lock();
try {
int n = 0;
//循环向队列中添加集合中的元素
for (E e : c) {
if (e == null)
throw new NullPointerException();
if (n == capacity)
throw new IllegalStateException("Queue full");
//将队列的last节点指向该节点
enqueue(new Node<E>(e));
++n;
}
//更新容量值
count.set(n);
} finally {
//释放锁
putLock.unlock();
}
}

LinkedBlockingQueue底层Node类

Node源码

static class Node<E> {
// 当前节点的元素值
E item;
// 下一个节点的索引
Node<E> next;
//节点构造器
Node(E x) {
item = x;
}
}

LinkedBlockingQueue的节点符合单向链表的数据结构要求：

一个成员变量为当前节点的元素值
一个成员变量是下一节点的索引
构造方法的唯一参数节点元素值。

Node节点图

item表示当前节点的元素值，next表示指向下一节点的指针

回归Java基础：LinkedBlockingQueue阻塞队列解析_出队_03

LinkedBlockingQueue常用操作

offer操作

入队方法，其实就是向队列的尾部插入一个元素。如果元素为空，抛出空指针异常。如果队列已满，则丢弃当前元素，返回false，它是非阻塞的。

offer源代码

offer方法源码如下：

public boolean offer(E e) {
//为空直接抛空指针
if (e == null) throw new NullPointerException();
final AtomicInteger count = this.count;
//如果当前队列满了的话，直接返回false
if (count.get() == capacity)
return false;
int c = -1;
//构造新节点
Node<E> node = new Node<E>(e);
获取putLock独占锁
final ReentrantLock putLock = this.putLock;
putLock.lock();
try {
//判断队列是否已满
if (count.get() < capacity) {
//进队列
enqueue(node);
//递增元素计数
c = count.getAndIncrement();
//如果元素入队，还有空闲，则唤醒notFull条件队列里被阻塞的线程
if (c + 1 < capacity)
notFull.signal();
}
} finally {
//释放锁
putLock.unlock();
}
//如果容量为0，则
if (c == 0)
//激活 notEmpty 的条件队列，唤醒被阻塞的线程
signalNotEmpty();
return c >= 0;
}

enqueue方法源码如下：

private void enqueue(Node<E> node) {
//从尾节点加进去
last = last.next = node;
}

为了形象生动，我们用一张图来看看往队列里依次放入元素A和元素B。图片参考来源【细谈Java并发】谈谈LinkedBlockingQueue 回归Java基础：LinkedBlockingQueue阻塞队列解析_流程图_04

signalNotEmpty方法源码如下

private void signalNotEmpty() {
//获取take独占锁
final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
takeLock.lock();
try {
//唤醒notEmpty条件队列里被阻塞的线程
notEmpty.signal();
} finally {
//释放锁
takeLock.unlock();
}
}

offer执行流程图

回归Java基础：LinkedBlockingQueue阻塞队列解析_空指针异常_05

基本流程：

判断元素是否为空，如果是，就抛出空指针异常。
判读队列是否已满，如果是，添加失败，返回false。
如果队列没满，构造Node节点，上锁。
判断队列是否已满，如果队列没满，Node节点在队尾加入队列待。
加入队列后，判断队列是否还有空闲，如果是，唤醒notFull的阻塞线程。
释放完锁后，判断容量是否为空，如果是，唤醒notEmpty的阻塞线程。

put操作

put方法也是向队列尾部插入一个元素。如果元素为null，抛出空指针异常。如果队列己满则阻塞当前线程，直到队列有空闲插入成功为止。如果队列空闲则插入成功，直接返回。如果在阻塞时被其他线程设置了中断标志，则被阻塞线程会抛出 InterruptedException 异常而返回。

put源代码

public void put(E e) throws InterruptedException {
////为空直接抛空指针异常
if (e == null) throw new NullPointerException();
int c = -1;
// 构造新节点
Node<E> node = new Node<E>(e);
//获取putLock独占锁
final ReentrantLock putLock = this.putLock;
final AtomicInteger count = this.count;
//获取独占锁,它跟lock的区别，是可以被中断
putLock.lockInterruptibly();
try {
//队列已满线程挂起等待
while (count.get() == capacity) {
notFull.await();
}
//进队列
enqueue(node);
//递增元素计数
c = count.getAndIncrement();
//如果元素入队，还有空闲，则唤醒notFull条件队列里被阻塞的线程
if (c + 1 < capacity)
notFull.signal();
} finally {
//释放锁
putLock.unlock();
}
//如果容量为0，则
if (c == 0)
//激活 notEmpty 的条件队列，唤醒被阻塞的线程
signalNotEmpty();
}

put流程图

回归Java基础：LinkedBlockingQueue阻塞队列解析_出队_06

基本流程：

判断元素是否为空，如果是就抛出空指针异常。
构造Node节点，上锁（可中断锁）
判断队列是否已满，如果是，阻塞当前线程，一直等待。
如果队列没满，Node节点在队尾加入队列。
加入队列后，判断队列是否还有空闲，如果是，唤醒notFull的阻塞线程。
释放完锁后，判断容量是否为空，如果是，唤醒notEmpty的阻塞线程。

poll操作

从队列头部获取并移除一个元素，如果队列为空则返回 null，该方法是不阻塞的。

poll源代码

poll方法源代码

public E poll() {
final AtomicInteger count = this.count;
//如果队列为空，返回null
if (count.get() == 0)
return null;
E x = null;
int c = -1;
//获取takeLock独占锁
final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
takeLock.lock();
try {
//如果队列不为空，则出队，并递减计数
if (count.get() > 0) {
x = dequeue();
c = count.getAndDecrement();
////容量大于1，则激活 notEmpty 的条件队列，唤醒被阻塞的线程
if (c > 1)
notEmpty.signal();
}
} finally {
//释放锁
takeLock.unlock();
}
if (c == capacity)
//唤醒notFull条件队列里被阻塞的线程
signalNotFull();
return x;
}

dequeue方法源代码

//出队列
private E dequeue() {
//获取head节点
Node<E> h = head;
//获取到head节点指向的下一个节点
Node<E> first = h.next;
//head节点原来指向的节点的next指向自己，等待下次gc回收
h.next = h; // help GC
// head节点指向新的节点
head = first;
// 获取到新的head节点的item值
E x = first.item;
// 新head节点的item值设置为null
first.item = null;
return x;
}

为了形象生动，我们用一张图来描述出队过程。图片参考来源【细谈Java并发】谈谈LinkedBlockingQueue

回归Java基础：LinkedBlockingQueue阻塞队列解析_空指针异常_07

signalNotFull方法源码

private void signalNotFull() {
//获取put独占锁
final ReentrantLock putLock = this.putLock;
putLock.lock();
try {
////唤醒notFull条件队列里被阻塞的线程
notFull.signal();
} finally {
//释放锁
putLock.unlock();
}
}

poll流程图

回归Java基础：LinkedBlockingQueue阻塞队列解析_空指针异常_08

基本流程：

判断元素是否为空，如果是，就返回null。
加锁
判断队列是否有元素，如果没有，释放锁
如果队列有元素，则出队列，获取数据，容量计数器减一。
判断此时容量是否大于1，如果是，唤醒notEmpty的阻塞线程。
释放完锁后，判断容量是否满，如果是，唤醒notFull的阻塞线程。

peek操作

获取队列头部元素但是不从队列里面移除它，如果队列为空则返回 null。该方法是不阻塞的。

peek源代码

public E peek() {
//队列容量为0，返回null
if (count.get() == 0)
return null;
//获取takeLock独占锁
final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
takeLock.lock();
try {
Node<E> first = head.next;
//判断first是否为null，如果是直接返回
if (first == null)
return null;
else
return first.item;
} finally {
//释放锁
takeLock.unlock();
}
}

peek流程图

回归Java基础：LinkedBlockingQueue阻塞队列解析_空指针异常_09

基本流程：

判断队列容量大小是否为0，如果是，就返回null。
加锁
获取队列头部节点first
判断节点first是否为null，是的话，返回null。
如果fist不为null，返回节点first的元素。
释放锁。

take操作

获取当前队列头部元素并从队列里面移除它。如果队列为空则阻塞当前线程直到队列不为空然后返回元素，如果在阻塞时被其他线程设置了中断标志，则被阻塞线程会抛出 InterruptedException 异常而返回。

take源代码

public E take() throws InterruptedException {
E x;
int c = -1;
final AtomicInteger count = this.count;
//获取takeLock独占锁
final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
//获取独占锁,它跟lock的区别，是可以被中断
takeLock.lockInterruptibly();
try {
//当前队列为空,则阻塞挂起
while (count.get() == 0) {
notEmpty.await();
}
//）出队并递减计数
x = dequeue();
c = count.getAndDecrement();
if (c > 1)
//激活 notEmpty 的条件队列，唤醒被阻塞的线程
notEmpty.signal();
} finally {
//释放锁
takeLock.unlock();
}
if (c == capacity)
//激活 notFull 的条件队列，唤醒被阻塞的线程
signalNotFull();
return x;
}

take流程图

回归Java基础：LinkedBlockingQueue阻塞队列解析_空指针异常_10

基本流程：

加锁
判断队列容量大小是否为0，如果是，阻塞当前线程，直到队列不为空。
如果队列容量大小大于0，节点出队列，获取元素x，计数器减一。
判断队列容量大小是否大于1，如果是，唤醒notEmpty的阻塞线程。
释放锁。
判断队列容量是否已满，如果是，唤醒notFull的阻塞线程。
返回出队元素x

remove操作

删除队列里面指定的元素，有则删除并返回 true，没有则返回 false。

remove方法源代码

public boolean remove(Object o) {
//为空直接返回false
if (o == null) return false;
//双重加锁
fullyLock();
try {
//边历队列，找到元素则删除并返回true
for (Node<E> trail = head, p = trail.next;
p != null;
trail = p, p = p.next) {
if (o.equals(p.item)) {
//执行unlink操作
unlink(p, trail);
return true;
}
}
return false;
} finally {
//解锁
fullyUnlock();
}
}

双重加锁，fullyLock方法源代码

void fullyLock() {
//putLock独占锁加锁
putLock.lock();
//takeLock独占锁加锁
takeLock.lock();
}

unlink方法源代码

void unlink(Node<E> p, Node<E> trail) {
p.item = null;
trail.next = p.next;
if (last == p)
last = trail;
//如果当前队列满，则删除后，也不忘记唤醒等待的线程
if (count.getAndDecrement() == capacity)
notFull.signal();
}

fullyUnlock方法源代码

void fullyUnlock() {
//与双重加锁顺序相反，先解takeLock独占锁
takeLock.unlock();
putLock.unlock();
}

remove流程图

回归Java基础：LinkedBlockingQueue阻塞队列解析_空指针异常_11

基本流程

判断要删除的元素是否为空，是就返回false。
如果要删除的元素不为空，加双重锁
遍历队列，找到要删除的元素，如果找不到，返回false。
如果找到，删除该节点，返回true。
释放锁

size操作

获取当前队列元素个数。

public int size() {
return count.get();
}

由于进行出队、入队操作时的 count是加了锁的，所以结果相比ConcurrentLinkedQueue 的 size 方法比较准确。

总结

LinkedBlockingQueue底层通过单向链表实现。
它有头尾两个节点，入队操作是从尾节点添加元素，出队操作是对头节点进行操作。
它的容量是原子变量count，保证szie获取的准确性。
它有两把独占锁，保证了队列操作原子性。
它的两把锁都配备了一个条件队列，用来存放阻塞线程，结合入队、出队操作实现了一个生产消费模型。

Java并发编程之美中，有一张图惟妙惟肖描述了它，如下图：

回归Java基础：LinkedBlockingQueue阻塞队列解析_流程图_12

参看与感谢

《Java并发编程之美》
阻塞队列之LinkedBlockingQueue
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【细谈Java并发】谈谈LinkedBlockingQueue

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