阻塞队列ArrayBlockingQueue源码学习

水深无声 2022-12-12 15:18 134阅读 0赞

# ArrayBlockingQueue总结 #

先直接总结ArrayBlockingQueue相关的特性再根据源码来进行说明，它的主要特性如下：

1.  他是一个由数组实现的FIFO有界阻塞队列，**数组由final修饰**；
2.  ArrayBlockingQueue有界且固定，在构造函数时必须指定大小，确认后不支持改变（确定数组长度且不可变）；
3.  默认在多线程环境下不保证"公平性"；
4.  通过 `ReentrantLock` 与 `Condition` 实现线程安全；

# 重要属性介绍 #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N6eDIwMTg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]  
ArrayBlockingQueue的属性还是比较简单，首先是存放元素的Object数组，它是final修饰的，因此它无法扩容或者缩容，这也就是ArrayBlockingQueue的长度不可变的原因。  
然后三个int属性分别表示下次获取数据时应该从数组的哪里获取，下次保存数据时应该保存到数组的哪里， count 记录着还有多少个可以拿。  
所有方法首先都必须获取到 `lock` 锁， `lock` 有公平与非公平锁，默认实现的是非公平锁，也可以在初始化ArrayBlockingQueue指定，所以默认ArrayBlockingQueue并不保证公平性。

**公平与非公平我在这里额外解释一下**：  
当队列满了的时候，如果有线程要往其中添加元素，这些线程就会阻塞，而一旦队列中有元素出队了，线程们就可以向其中添加元素了，如果是非公平锁，那么有可能后拿到锁的线程会先往队列中添加元素，如果是公平锁的话，一定是先来后到的，先拿到锁的线程一定可以先向队列中添加元素。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N6eDIwMTg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]  
这里简单介绍了属性的作用，接下来会通过源码再来理解它们的作用。

# 最关键的两个私有方法enqueue和dequeue #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N6eDIwMTg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]  
`enqueue` 方法用来把数据保存到数组items中，会递增 `putIndex` ，也就是下次应该保存的位置，如果 putIndex 等于了数组的长度，则下次为0。最后会唤醒那些调用 `notEmpty.await()` 阻塞的线程，实际上只有 take 方法调用了notEmpty.await()。  
`dequeue` 方法是获取数据，获取的是 `takeIndex` 处的数据，在获取过后会把`items[takeIndex]`处设置为null，同样递增 takeIndex 后如果等于了数组的长度则会被置为0。最后会唤醒那些调用 notFull.await() 阻塞的线程，只有 put 方法调用了`notFull.await()`。

由于ArrayBlockingQueue的底层数组无法扩容，所以主要变化在于所以主要的变化在于 putIndex 和 takeIndex，实际上 putIndex 和 takeIndex 可以理解为是两个指针，一个指向队尾，一个指向队首。  
大家可能担心 putIndex 走完一轮之后，如果继续添加元素越过 takeIndex 会导致数据被覆盖，或者takeIndex 走的比 putIndex 快导致获取到null值。  
实际上ArrayBlockingQueue公共的方法都会对 enqueue 和 dequeue 加以保护，比如所有方法在调用 enqueue 之前一定会先判断 count == item.length ，调用 dequeue 之前一定会先判断 count == 0

# 添加元素方法介绍 #

ArrayBlockingQueue提供了4个添加方法`add`、`offer`、`offer`（指定阻塞时间）、`put`;  
add方法调用的是offer方法，而offer方法先获取到锁，再判断队列是否已满，已满直接返回false，没有满则调用enqueue保存数据。所以**add与offer没有阻塞**。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N6eDIwMTg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]

**offer还有一个可以在队列已满情况下阻塞指定时间（timeout）在尝试保存的方法**，在判断队列已满的情况会调用 nanos = notFull.awaitNanos(nanos) 阻塞线程，一定时间后如果队列还是满的则会返回false。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N6eDIwMTg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]

put获取到锁，如果数组已满则调用 notFull.await 一直阻塞等待唤醒，唤醒后再次验证是否已满，没满则调用enqueue，否则再次阻塞。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N6eDIwMTg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]

**所以向ArrayBlockingQueue中加元素只有put 方法才真正的阻塞**，保证添加成功，其他方法会可能添加失败。

# 获取元素方法介绍 #

获取数据提供了`poll`、`poll(指定阻塞时间)`、`take`、`peek`  
poll方法先获取到锁，如果 count==0 则返回null,否则调用 dequeue 方法获取结果。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N6eDIwMTg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 6]

poll(指定阻塞时间)在判断 count == 0 时会先阻塞一段时间，等待阻塞时间结束后再次判断，如果还是 count == 0 则返回null，否则调用dequeue方法获取结果。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N6eDIwMTg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 7]

take方法先获取到锁然后在循环判断count是否等于0，如果等于0则调用notEmpty.await()阻塞，否则调用dequeue获取结果，同样**take方法也会保证一定能拿到数据，否则会一直阻塞。**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N6eDIwMTg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 8]

peek是偷看的意思，peek方法在获取到锁后直接获取item\[takeIndex\]的元素返回，然后不做任何事情，就好像偷偷看下下一次会获取哪一个元素，但是不会删除队首的元素。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N6eDIwMTg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 9]

# 总结 #

ArrayBlockingQueue还有一些其他次要的方法，就不再一一说明了，**ArrayBlockingQueue通过两个索引来保存和拉取数据，并且实现了先进先出的特性**。虽然数组的长度是固定有限的，但是通过循环使用数组，也能通过他同步无限的数据。  
分析方法发现只有take方法和put方法才能保证真正获取或者保存数据成功，如果没有成功则会一直阻塞，其他方法则不一定。

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