JUC LinkedBlockingQueue 分析

蔚落 2022-05-22 02:08 54阅读 0赞

## 基本介绍 ##

*  JUC里面提供的有界阻塞队列，基于链表方式实现
 *  默认队列大小为Integer.MAX\_VALUE，给人的感觉是近乎无界，在构造的时候可以自行指定队列的容量
 *  内部维护两把锁(putLock与takeLock)，用以优化存取的并发性能；put/offer只需要获取putLock，而take/poll只需要获取takeLock，细化了锁粒度，使得存取操作可以并发进行，相比ArrayBlockingQueue存取元素都使用同一个lock来说具有更高的吞吐量
 *  只有在remove，contains, clear，循环迭代器的操作中，才需要同时获取takeLock和putLock（这些操作的程使用场景相对比较少）

> 推荐`LinkedBlockingQueue`在构造的时候传入具体的容量大小，否则若生产者(put)的生产速度远远大于消费者(take)的消费速度的情况下，很可能会把堆内存撑爆

## 使用场景与示例 ##

最常用的使用场景也还是用于实现生产者消费者模式，可参考[JUC ArrayBlockingQueue 分析][JUC ArrayBlockingQueue]里面的使用场景和使用示例

## 源码分析 ##

看看重要的成员变量:

// 队列容量
    private final int capacity;
    // 指定当前队列元素个数，用原子变量解决多线程并发访问
    private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();
    // 队列head，哨兵元素，null值，方便链表insert, delete
    transient Node<E> head;
    // 指向队列尾元素
    private transient Node<E> last;
    // take锁，用于保证并发下take, poll操作的线程安全
    private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();
    // take操作阻塞等待条件
    private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();
    // put锁，用于维护并发下的put, offer操作
    private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();
    // put操作阻塞等待条件
    private final Condition notFull = putLock.newCondition();

入队和出队操作，比较简单，方法会被put, offer, take , poll等方法调用，多线程并发安全保证使用putLock和takeLock来保证（外层调用方法里面）:

// 入队
    private void enqueue(Node<E> node) {
        // assert putLock.isHeldByCurrentThread();
        // assert last.next == null;
        last = last.next = node;
    }
    
    // 出队
    private E dequeue() {
        // assert takeLock.isHeldByCurrentThread();
        // assert head.item == null;
        Node<E> h = head;
        Node<E> first = h.next;
        h.next = h; // help GC
        head = first;
        E x = first.item;
        first.item = null;
        return x;
    }

分析put / offer操作:

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;
        putLock.lockInterruptibly();
        try {
            // 达到容量限制，阻塞等待
            while (count.get() == capacity) {
                notFull.await();
            }
            enqueue(node); // 将元素添加到队列尾部
            c = count.getAndIncrement();
            // 此处若判断容量还没满，则唤醒其他可能等待阻塞的生产者线程？这里会产生很多无谓的唤醒动作？因为很多时候容量都没达到上限？
            if (c + 1 < capacity)
                notFull.signal();
        } finally {
            putLock.unlock();
        }
        // c = count.getAndIncrement, 若为0，则证明有元素经过该方法保存到队列里面，且之前是0，代表可能有线程阻塞等待take操作(notEmpty condition)，因此这个条件下，需要进行唤醒
        if (c == 0)
            signalNotEmpty();
    }
    
    
    // 唤醒阻塞的take线程，该方法会被put/offer操作调用
    private void signalNotEmpty() {
        final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
        // 注意此处应该尝试获取的是takeLock
        takeLock.lock();
        try {
            notEmpty.signal();
        } finally {
            takeLock.unlock();
        }
    }
    
    // 与put的逻辑大致相同，只是offer操作当容量达到上限的时候，不阻塞等待添加，而是直接返回添加失败
    public boolean offer(E e) {
        if (e == null) throw new NullPointerException();
        final AtomicInteger count = this.count;
        // 容量达到上限，无法添加，返回添加失败
        if (count.get() == capacity)
            return false;
        int c = -1;
        Node<E> node = new Node<E>(e);
        final ReentrantLock putLock = this.putLock;
        putLock.lock();
        try {
            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;
    }

分析take / poll 方法:

// 移除队头元素，若队列为空，则阻塞等待
    public E take() throws InterruptedException {
        E x;
        int c = -1;
        final AtomicInteger count = this.count;
        final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
        takeLock.lockInterruptibly();
        try {
            // 队列为空，阻塞等待
            while (count.get() == 0) {
                notEmpty.await();
            }
            x = dequeue(); // 取队头元素
            c = count.getAndDecrement();
            // 若发现队列还有元素，尝试唤醒其他等待的消费者线程
            if (c > 1)
                notEmpty.signal();
        } finally {
            takeLock.unlock();
        }
        // c = count.getAndDecrement，若c原先为容量上限，证明此次take之后，队列不满，需要唤醒可能在阻塞等待的生产者线程(调用put操作的线程)
        if (c == capacity)
            signalNotFull();
        return x;
    }
    
    // 对等待put(notFull condition)的生产者线程进行唤醒
    private void signalNotFull() {
        final ReentrantLock putLock = this.putLock;
        putLock.lock();
        try {
            notFull.signal();
        } finally {
            putLock.unlock();
        }
    }
    
    // poll在队列为空的情况下不阻塞等待，直接返回null，其他逻辑与
    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;
    }

超时的offer，poll方法就不展开了，重点在于使用condition的超时阻塞等待，然后加以判断:

// 超时offer实现的关键
    while (count.get() == capacity) {
        if (nanos <= 0)
            return false;
        nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
    }
    
    // 超时poll的实现关键
    while (count.get() == 0) {
        if (nanos <= 0)
            return null;
        nanos = notEmpty.awaitNanos(nanos);
    }

[JUC ArrayBlockingQueue]: https://blog.csdn.net/d6619309/article/details/80658606