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詳細(xì)分析Java并發(fā)集合ArrayBlockingQueue的用法

在上一章中，我們介紹了阻塞隊列BlockingQueue，下面我們介紹它的常用實現(xiàn)類ArrayBlockingQueue。

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一. 用數(shù)組來實現(xiàn)隊列

因為隊列這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特殊要求，所以它天然適合用鏈表的方式來實現(xiàn)，用兩個變量分別記錄鏈表頭和鏈表尾，當(dāng)刪除或插入隊列時，只要改變鏈表頭或鏈表尾就可以了，而且鏈表使用引用的方式鏈接的，所以它的容量幾乎是無限的。
那么怎么使用數(shù)組來實現(xiàn)隊列，我們需要四個變量：Object[] array來存儲隊列中元素，headIndex和tailIndex分別記錄隊列頭和隊列尾，count記錄隊列的個數(shù)。

  1. 因為數(shù)組的長度是固定，所以當(dāng)count==array.length時，表示隊列已經(jīng)滿了，當(dāng)count==0的時候，表示隊列是空的。
  2. 當(dāng)添加元素的時候，將array[tailIndex] = e將tailIndex位置設(shè)置成新元素，之后將tailIndex++自增，然后將count++自增。但是有兩點需要注意，在添加之前必須先判斷隊列是否已滿，不然會出現(xiàn)覆蓋已有元素。當(dāng)tailIndex的值等于數(shù)組最后一個位置的時候，需要將tailIndex=0，循環(huán)利用數(shù)組
  3. 當(dāng)刪除元素的時候，將先記錄下array[headIndex] 元素，之后將headIndex++自增，然后將count--自減。但是有兩點需要注意要注意，在刪除之前，必須先判斷隊列是否為空，不然可能會刪除已刪除的元素。

這里用了一個很巧妙的方式，我們知道當(dāng)向隊列中插入一個元素，那么就占用了數(shù)組的一個位置，當(dāng)刪除一個元素的時候，那么其實數(shù)組的這個位置就空閑出來了，表示這個位置又可以插入新元素了。

所以我們插入新元素前，必須檢查隊列是否已滿，刪除元素之前，必須檢查隊列是否為空。

二. ArrayBlockingQueue中重要成員變量

 /** 儲存隊列的中元素 */
  final Object[] items;

  /** 隊列頭的位置 */
  int takeIndex;

  /** 隊列尾的位置 */
  int putIndex;

  /** 當(dāng)前隊列擁有的元素個數(shù) */
  int count;

  /** 用來保證多線程操作共享變量的安全問題 */
  final ReentrantLock lock;

  /** 當(dāng)隊列為空時，就會調(diào)用notEmpty的wait方法，讓當(dāng)前線程等待 */
  private final Condition notEmpty;

  /** 當(dāng)隊列為滿時，就會調(diào)用notFull的wait方法，讓當(dāng)前線程等待 */
  private final Condition notFull;

就是多了lock、notEmpty、notFull變量來實現(xiàn)多線程安全和線程等待條件的，它們?nèi)齻€是怎么操作的呢？

2.1 lock的作用

因為ArrayBlockingQueue是在多線程下操作的，所以修改items、takeIndex、putIndex和count這些成員變量時，必須要考慮多線程安全問題，所以這里使用lock獨占鎖，來保證并發(fā)操作的安全。

2.2 notEmpty與notFull的作用

因為阻塞隊列必須實現(xiàn)，當(dāng)隊列為空或隊列已滿的時候，隊列的讀取或插入操作要等待。所以我們想到了并發(fā)框架下的Condition對象，使用它來控制。

在AQS中，我們介紹了這個類的作用：

  1. await系列方法，會釋放當(dāng)前鎖，并讓當(dāng)前線程等待。
  2. signal與signalAll方法，會喚醒當(dāng)前線程。其實它并不是喚醒當(dāng)前線程，而是將在這個Condition條件上等待的線程，添加到lock鎖上的等待線程池中，所以當(dāng)鎖被釋放時，會喚醒lock鎖上的等待線程池中一個線程。具體在AQS中有源碼分析。

三. 添加元素方法

3.1 add(E e)與offer(E e)方法：

  // 調(diào)用AbstractQueue父類中的方法。
  public boolean add(E e) {
    // 通過調(diào)用offer來時實現(xiàn)
    if (offer(e))
      return true;
    else
      throw new IllegalStateException("Queue full");
  }

  //向隊列末尾新添加元素。返回true表示添加成功，false表示添加失敗，不會拋出異常
  public boolean offer(E e) {
    checkNotNull(e);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 使用lock來保證，多線程修改成員屬性的安全
    lock.lock();
    try {
      // 隊列已滿，添加元素失敗，返回false。
      if (count == items.length)
        return false;
      else {
        // 調(diào)用enqueue方法將元素插入隊列中
        enqueue(e);
        return true;
      }
    } finally {
      lock.unlock();
    }
  }

add方法是調(diào)用offer方法實現(xiàn)的。在offer方法中，必須先判斷隊列是否已滿，如果已滿就直接返回false，而不會阻塞當(dāng)前線程。如果不滿就調(diào)用enqueue方法將元素插入隊列中。

注意：這里使用lock.lock()是保證同一時間只有一個線程修改成員變量，防止出現(xiàn)并發(fā)操作問題。雖然它也會阻塞當(dāng)前線程，但是它并不是條件等待，只是因為鎖被其他線程持有，而ArrayBlockingQueue中方法操作時間都不長，這里相當(dāng)于不阻塞線程。

3.2 put方法

  // 向隊列末尾新添加元素，如果隊列已滿，當(dāng)前線程就等待。響應(yīng)中斷異常
  public void put(E e) throws InterruptedException {
    checkNotNull(e);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 使用lock來保證，多線程修改成員屬性的安全
    lock.lockInterruptibly();
    try {
      // 隊列已滿，則調(diào)用notFull.await()方法，讓當(dāng)前線程等待，直到隊列不是滿的
      while (count == items.length)
        notFull.await();
      // 調(diào)用enqueue方法將元素插入隊列中
      enqueue(e);
    } finally {
      lock.unlock();
    }
  }

與offer方法大體流程一樣，只是當(dāng)隊列已滿的時候，會調(diào)用notFull.await()方法，讓當(dāng)前線程阻塞等待，直到隊列被別的線程移除了元素，隊列不滿的時候，會喚醒這個等待線程。

3.3 offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)方法

/**
   * 向隊列末尾新添加元素，如果隊列中沒有可用空間，當(dāng)前線程就等待，
   * 如果等待時間超過timeout了，那么返回false，表示添加失敗
   */
  public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
    throws InterruptedException {

    checkNotNull(e);
    // 計算一共最多等待的時間值nanos
    long nanos = unit.toNanos(timeout);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 使用lock來保證，多線程修改成員屬性的安全
    lock.lockInterruptibly();
    try {
      // 隊列已滿
      while (count == items.length) {
        // nanos <= 0表示最大等待時間已到，那么不用再等待了，返回false，表示添加失敗。
        if (nanos <= 0)
          return false;
        // 調(diào)用notFull.awaitNanos(nanos)方法,超時nanos時間會被自動喚醒，
        // 如果被提前喚醒，那么返回剩余的時間
        nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
      }
      // 調(diào)用enqueue方法將元素插入隊列中
      enqueue(e);
      return true;
    } finally {
      lock.unlock();
    }
  }

與put的方法大體流程一樣，只不過是調(diào)用notFull.awaitNanos(nanos)方法，讓當(dāng)前線程等待，并設(shè)置等待時間。

四. 刪除元素方法

4.1 remove()和poll()方法：

  // 調(diào)用AbstractQueue父類中的方法。
  public E remove() {
    // 通過調(diào)用poll來時實現(xiàn)
    E x = poll();
    if (x != null)
      return x;
    else
      throw new NoSuchElementException();
  }

// 刪除隊列第一個元素(即隊列頭)，并返回它。如果隊列是空的，它不會拋出異常，而是會返回null。
  public E poll() {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 使用lock來保證，多線程修改成員屬性的安全
    lock.lock();
    try {
      // 如果count == 0，列表為空，就返回null，否則調(diào)用dequeue方法，返回列表頭元素
      return (count == 0) ? null : dequeue();
    } finally {
      lock.unlock();
    }
  }

remove方法是調(diào)用poll()方法實現(xiàn)的。在 poll()方法中，如果列表為空，就返回null，否則調(diào)用dequeue方法，返回列表頭元素。

4.2 take()方法

  /**
   * 返回并移除隊列第一個元素，如果隊列是空的，就前線程就等待。響應(yīng)中斷異常
   */
  public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 使用lock來保證，多線程修改成員屬性的安全
    lock.lockInterruptibly();
    try {
      // 如果隊列為空，就調(diào)用notEmpty.await()方法，讓當(dāng)前線程等待。
      // 直到有別的線程向隊列中插入元素，那么這個線程會被喚醒。
      while (count == 0)
        notEmpty.await();
      // 調(diào)用dequeue方法，返回列表頭元素
      return dequeue();
    } finally {
      lock.unlock();
    }
  }

take()方法當(dāng)隊列為空的時候，當(dāng)前線程必須等待，直到有別的線程向隊列中插入新元素，那么這個線程會被喚醒。

4.3 poll(long timeout, TimeUnit unit)方法

  /**
   * 返回并移除隊列第一個元素，如果隊列是空的，就前線程就等待。
   * 如果等待時間超過timeout了，那么返回false，表示獲取元素失敗
   */
  public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
    // 計算一共最多等待的時間值nanos
    long nanos = unit.toNanos(timeout);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 使用lock來保證，多線程修改成員屬性的安全
    lock.lockInterruptibly();
    try {
      // 隊列為空
      while (count == 0) {
        // nanos <= 0表示最大等待時間已到，那么不用再等待了，返回null。
        if (nanos <= 0)
          return null;
        // 調(diào)用notEmpty.awaitNanos(nanos)方法讓檔期線程等待，并設(shè)置超時時間。
        nanos = notEmpty.awaitNanos(nanos);
      }
      // 調(diào)用dequeue方法，返回列表頭元素
      return dequeue();
    } finally {
      lock.unlock();
    }
  }

與take()方法流程一樣，只不過調(diào)用awaitNanos(nanos)方法，讓當(dāng)前線程等待，并設(shè)置等待時間。

五. 查看元素的方法

5.1 element()與peek() 方法

  // 調(diào)用AbstractQueue父類中的方法。
  public E element() {
    E x = peek();
    if (x != null)
      return x;
    else
      throw new NoSuchElementException();
  }

  // 查看隊列頭元素
  public E peek() {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 使用lock來保證，多線程修改成員屬性的安全
    lock.lock();
    try {
      // 返回當(dāng)前隊列頭的元素
      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

  // 將元素x插入隊列尾
  private void enqueue(E x) {
    // assert lock.getHoldCount() == 1;
    // assert items[putIndex] == null; //當(dāng)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，那么將putIndex重新設(shè)置為0
    if (++putIndex == items.length)
      putIndex = 0;
    // 隊列數(shù)量加一
    count++;
    // 因為插入一個元素，那么當(dāng)前隊列肯定不為空，那么喚醒在notEmpty條件下等待的一個線程
    notEmpty.signal();
  }

  // 刪除隊列頭的元素，返回它
  private E dequeue() {
    // assert lock.getHoldCount() == 1;
    // assert items[takeIndex] != null;

    final Object[] items = this.items;
    // 得到當(dāng)前隊列頭的元素
    @SuppressWarnings("unchecked")
    E x = (E) items[takeIndex];
    // 將當(dāng)前隊列頭位置設(shè)置為null
    items[takeIndex] = null;
    if (++takeIndex == items.length)
      takeIndex = 0;
    // 隊列數(shù)量減一
    count--;
    if (itrs != null)
      itrs.elementDequeued();
    // 因為刪除了一個元素，那么隊列肯定不滿了，那么喚醒在notFull條件下等待的一個線程
    notFull.signal();
    return x;
  }

這兩個方法分別代表，向隊列中插入元素和從隊列中刪除元素。而且它們要喚醒等待的線程。當(dāng)插入元素后，那么隊列一定不為空，那么就要喚醒在notEmpty條件下等待的線程。當(dāng)刪除元素后，那么隊列一定不滿，那么就要喚醒在notFull條件下等待的線程。

6.2 remove(Object o)方法

  // 刪除隊列中對象o元素，最多刪除一條
  public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) return false;
    final Object[] items = this.items;
    // 使用lock來保證，多線程修改成員屬性的安全
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
      // 當(dāng)隊列中有值的時候，才進(jìn)行刪除。
      if (count > 0) {
        // 隊列尾下一個位置
        final int putIndex = this.putIndex;
        // 隊列頭的位置
        int i = takeIndex;
        do {
          // 當(dāng)前位置元素與被刪除元素相同
          if (o.equals(items[i])) {
            // 刪除i位置元素
            removeAt(i);
            // 返回true
            return true;
          }
          if (++i == items.length)
            i = 0;
          // 當(dāng)i==putIndex表示遍歷完所有元素
        } while (i != putIndex);
      }
      return false;
    } finally {
      lock.unlock();
    }
  }

從隊列中刪除指定對象o，那么就要遍歷隊列，刪除第一個與對象o相同的元素，如果隊列中沒有對象o元素，那么返回false刪除失敗。

這里有兩點需要注意：

如何遍歷隊列，就是從隊列頭遍歷到隊列尾。就要靠takeIndex和putIndex兩個變量了。

為什么Object[] items = this.items;這句代碼沒有放到同步鎖lock代碼塊內(nèi)。items是成員變量，那么多線程操作的時候，不會有并發(fā)問題么？

這個是因為items是個引用變量，不是基本數(shù)據(jù)類型，而且我們對隊列的插入和刪除操作，都是針對這一個items數(shù)組，沒有改變數(shù)組的引用，所以在lock代碼中，items會得到其他線程對它最新的修改。但是如果這里將int putIndex = this.putIndex;方法lock代碼塊外面，就會產(chǎn)生問題。

removeAt(final int removeIndex)方法

  // 刪除隊列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;
    // 表示刪除元素是列表頭，就容易多了，與dequeue方法流程差不多
    if (removeIndex == takeIndex) {
      // 移除removeIndex位置元素
      items[takeIndex] = null;
      // 到了數(shù)組末尾，就要轉(zhuǎn)到數(shù)組頭位置
      if (++takeIndex == items.length)
        takeIndex = 0;
      // 隊列數(shù)量減一
      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;
        // 還沒有到隊列尾，那么就將后一個位置元素覆蓋前一個位置的元素
        if (next != putIndex) {
          items[i] = items[next];
          i = next;
        } else {
          // 將隊列尾元素置位null
          items[i] = null;
          // 重新設(shè)置putIndex的值
          this.putIndex = i;
          break;
        }
      }
      // 隊列數(shù)量減一
      count--;
      if (itrs != null)
        itrs.removedAt(removeIndex);
    }
    // 因為刪除了一個元素，那么隊列肯定不滿了，那么喚醒在notFull條件下等待的一個線程
    notFull.signal();
  }

在隊列中刪除指定位置的元素。需要注意的是刪除之后的數(shù)組還能保持隊列形式，分為兩種情況：

  1. 如果刪除位置是隊列頭，那么簡單，只需要將隊列頭的位置元素設(shè)置為null，將將隊列頭位置加一。
  2. 如果刪除位置不是隊列頭，那么麻煩了，這個時候，我們就要將從removeIndex位置后的元素全部左移一位，覆蓋前一個元素。最后將原來隊列尾的元素置位null。

以上就是本文的全部內(nèi)容，希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持創(chuàng)新互聯(lián)。

當(dāng)前題目：詳細(xì)分析Java并發(fā)集合ArrayBlockingQueue的用法
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