解锁ArrayBlockingQueue奥秘：深入源码的精彩之旅

1.简介

ArrayBlockingQueue 是 BlockingQueue 接口的一个实现类，它基于数组实现了一个有界阻塞队列。创建 ArrayBlockingQueue 实例时需要指定队列的容量，队列的大小是固定的，无法动态增长。

主要特点包括：

  • 有界性：ArrayBlockingQueue 的容量是固定的，在创建队列时需要指定容量大小，一旦队列达到最大容量，再尝试向队列中添加元素将会导致阻塞，直到队列中有空间。

  • 线程安全性： 提供了线程安全的队列操作，多个线程可以安全地在队列中进行添加和移除元素的操作，无需额外的同步措施。

  • FIFO 排序：基于数组实现，采用先进先出（FIFO）的顺序，保证了队列中元素的顺序性。

  • 阻塞操作：当尝试向队列中添加元素时，如果队列已满，生产者线程将会被阻塞，直到队列中有空间可用；当尝试从队列中取出元素时，如果队列为空，消费者线程将会被阻塞，直到队列中有新的元素可用。

  • 性能稳定：基于数组实现的，在添加和移除元素时具有稳定的性能表现，与队列大小无关。

2.重要的方法

BlockingQueue 具有 4 组不同的方法用于插入、移除以及对队列中的元素进行检查。如果请求的操作不能得到立即执行的话，每个方法的表现也不同。这些方法如下:

抛异常特定值阻塞超时
插入add(o)offer(o)put(o)offer(o, timeout, timeunit)
插入remove()poll()take()poll(timeout, timeunit)
检查element()peek()

四组不同的行为方式解释:

  • 抛异常: 如果试图的操作无法立即执行，抛一个异常。

  • 特定值: 如果试图的操作无法立即执行，返回一个特定的值(常常是 true / false)。

  • 阻塞: 如果试图的操作无法立即执行，该方法调用将会发生阻塞，直到能够执行。

  • 超时: 如果试图的操作无法立即执行，该方法调用将会发生阻塞，直到能够执行，但等待时间不会超过给定值。返回一个特定值以告知该操作是否成功(典型的是 true / false)。

无法向一个 ArrayBlockingQueue 中插入 null。如果你试图插入null，ArrayBlockingQueue 将会抛出一个 NullPointerException。

3.重要属性

   final Object[] items;int takeIndex;int putIndex;int count;final ReentrantLock lock;private final Condition notEmpty;private final Condition notFull;

  1. items 数组: 用于存储队列元素的数组。

  2. count: 用于记录当前队列中的元素数量。

  3. takeIndex 和 putIndex: 分别表示队列头部和尾部元素在数组中的索引位置。

  4. lock: 使用ReentrantLock来实现对队列操作的线程安全控制。

  5. notEmpty 和 notFull: 条件变量，用于实现队列非空和队列未满的等待通知机制。

这些属性在ArrayBlockingQueue 内部使用，可以帮助实现队列的基本功能和线程安全访问。

4.构造方法

构造方法如下所示：

  public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {if (capacity <= 0)throw new IllegalArgumentException();this.items = new Object[capacity];lock = new ReentrantLock(fair);notEmpty = lock.newCondition();notFull =  lock.newCondition();}

  1. 首先，构造方法接受两个参数：capacity 表示队列的容量大小，fair 表示是否使用公平性策略。

  2. 在方法中首先对 capacity 进行检查，如果小于等于 0，则抛出 IllegalArgumentException 异常。

  3. 然后，创建一个 Object 类型的数组 items 作为队列的存储结构，其大小为 capacity，即指定了队列的容量。

  4. 创建一个 ReentrantLock 对象 lock，用于在多线程环境下对队列进行加锁操作。fair 参数用于决定是否使用公平性策略，如果为 true，则表示使用公平性策略，否则为非公平性策略。

  5. 最后，创建两个 Condition 对象 notEmpty 和 notFull，它们分别用于表示队列非空和非满的条件，通过它们可以实现线程的等待和唤醒操作。

5.添加元素方法

5.1 offer(e)方法

offer(e)方法会在加锁的情况下尝试向队列中添加元素，如果队列已满则返回false，否则将元素插入队列并返回true。

public boolean offer(E e) {if (e == null) throw new NullPointerException();final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lock();try {if (count == items.length)return false;else {enqueue(e);return true;}} finally {lock.unlock();}
}

  1. 首先，对传入的元素e进行空指针检查，如果为空则抛出NullPointerException。

  2. 获取队列的ReentrantLock对象lock，并对其进行加锁操作。

  3. 在加锁的情况下，判断队列是否已满，如果已满则返回false；如果未满，调用enqueue(e)方法将元素e插入队列，并返回true。

  4. 最后，无论是否成功添加元素，最终都会释放锁。

5.1.1 enqueue(e)方法

enqueue(e)插入元素，并通过更新putIndex和count来维护队列的状态，同时通过notEmpty.signal()来唤醒可能阻塞在队列非空条件上的消费者线程。

/*** Inserts element at current put position, advances, and signals.* Call only when holding lock.*/
private void enqueue(E x) {
// assert lock.getHoldCount() == 1;
// assert items[putIndex] == null;
final Object[] items = this.items;
items[putIndex] = x;
if (++putIndex == items.length)putIndex = 0;
count++;
notEmpty.signal();
}

  1. 首先获取ArrayBlockingQueue中的items数组，items数组用于存放队列中的元素。

  2. items[putIndex] = x;: 将元素x插入到items数组的putIndex位置上，putIndex表示当前要插入元素的位置。

  3. if (++putIndex == items.length) putIndex = 0;: 这一行代码用于更新putIndex的值，如果putIndex超出了数组长度，则将其置为0，实现循环利用数组空间的目的。

  4. count++;: 增加队列的元素数量计数器count。

  5. notEmpty.signal();: 发送信号通知处于等待状态的消费者线程，队列中已经有元素可以消费了。

5.2 offer(o, timeout, timeunit)方法源码如下：

offer(o, timeout, timeunit)方法会在加锁的情况下尝试向队列中添加元素，在指定的超时时间内等待队列有空间可用，如果成功添加则返回true，超时未成功则返回false，如果被中断则抛出InterruptedException异常。

public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {checkNotNull(e);long nanos = unit.toNanos(timeout);final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lockInterruptibly();try {while (count == items.length) {if (nanos <= 0)return false;nanos = notFull.awaitNanos(nanos);}enqueue(e);return true;} finally {lock.unlock();}
}

  1. 首先，对传入的元素e进行空指针检查，如果为空则抛出NullPointerException。

  2. 将timeout转换为纳秒单位，并获取队列的ReentrantLock对象lock，使用lockInterruptibly方法加锁，支持响应中断。

  3. 在加锁的情况下，如果队列已满，则会进入循环等待，同时根据剩余的超时时间不断进行等待，直到超时或者队列有空间可用。

  4. 如果在等待过程中成功添加元素，则返回true，否则如果超时未成功添加元素则返回false。

  5. 最后，无论是否成功添加元素，最终都会释放锁。

5.3 add(e)方法源码如下：

add(e)方法是调用父类AbstractQueue的add(e)方法：

public boolean add(E e) {
return super.add(e);
}
5.3.1 AbstractQueue的add(e)方法，源码如下

add(e)方法会首先尝试向队列中添加元素，如果成功则返回true，如果队列已满则抛出异常。

public boolean add(E e) {if (offer(e)) {return true;} else {throw new IllegalStateException("Queue full");}
}

  1. 首先，调用了offer(e)方法尝试向队列中添加元素。

  2. 如果成功添加元素，则返回true。

  3. 如果队列已满，offer(e)方法会返回false，此时会抛出IllegalStateException异常，提示队列已满。

5.4 put(e)方法

put(e)方法会在加锁的情况下尝试向队列中添加元素，如果队列已满则会阻塞等待直到有空间可以插入元素，如果被中断则会抛出InterruptedException异常。

public void put(E e) throws InterruptedException {checkNotNull(e);final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lockInterruptibly();try {while (count == items.length)notFull.await();enqueue(e);} finally {lock.unlock();}
}

  1. 首先，对传入的元素e进行空指针检查，如果为空则抛出NullPointerException。

  2. 获取队列的ReentrantLock对象lock，并使用lockInterruptibly方法加锁，支持响应中断。

  3. 在加锁的情况下，如果队列已满，则使用notFull条件变量等待，直到队列有空间可以插入元素。

  4. 一旦有空间可以插入元素，调用insert(e)方法将元素e插入队列。

  5. 最后，无论是否成功添加元素，最终都会释放锁。

6.移除元素

6.1 poll()方法

poll()方法用于从队列中取出并移除头部的元素，如果队列为空，则返回null。

public E poll() {final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lock();try {return (count == 0) ? null : dequeue();} finally {lock.unlock();}
}

  1. 首先获取队列中的锁对象lock，并尝试获取锁。

  2. 判断队列元素数量count是否为0，如果为0则表示队列为空，直接返回null。

  3. 如果队列不为空，则调用dequeue()方法来取出并返回队列头部的元素。

  4. 最后释放锁并返回取出的元素。

6.1.1 dequeue()方法

dequeue()主要完成了从队列中取出元素的操作，并通过更新takeIndex和count来维护队列的状态，同时通过notFull.signal()来唤醒可能阻塞在队列非满条件上的生产者线程。

/*** Extracts element at current take position, advances, and signals.* Call only when holding lock.*/
private E dequeue() {// assert lock.getHoldCount() == 1;// assert items[takeIndex] != null;final Object[] items = this.items;@SuppressWarnings("unchecked")E x = (E) items[takeIndex];items[takeIndex] = null;if (++takeIndex == items.length)takeIndex = 0;count--;if (itrs != null)itrs.elementDequeued();notFull.signal();return x;
}

  1. final Object[] items = this.items;: 首先获取items数组，该数组用于存放队列中的元素。

  2. E x = (E) items[takeIndex];: 将takeIndex位置上的元素强制转换为泛型类型E，并赋值给变量x，表示要取出的元素。 3. items[takeIndex] = null;: 将takeIndex位置上的元素置为null，表示该位置上的元素已经被取出。

  3. if (++takeIndex == items.length) takeIndex = 0;: 更新takeIndex的值，如果takeIndex超出了数组长度，则将其置为0，实现循环利用数组空间的目的。

  4. count--;: 减少队列的元素数量计数器count。

  5. if (itrs != null) itrs.elementDequeued();: 如果存在迭代器iterator，则调用elementDequeued()方法通知迭代器，表示有元素被取出。

  6. notFull.signal();: 发送信号通知处于等待状态的生产者线程，队列中已经有空间可以生产新元素了。

  7. return x;: 返回被取出的元素。

6.2 l(long timeout, TimeUnit unit)方法

poll(long timeout, TimeUnit unit)方法用于从队列中取出并移除头部的元素，如果队列为空，则在指定的时间范围内等待元素可用。当超时时间到达后仍然没有可用元素，则返回null。

public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {long nanos = unit.toNanos(timeout);final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lockInterruptibly();try {while (count == 0) {if (nanos <= 0)return null;nanos = notEmpty.awaitNanos(nanos);}return dequeue();} finally {lock.unlock();}}

  1. 将传入的timeout参数转换为纳秒单位。

  2. 获取队列中的锁对象lock，并尝试获取锁（支持中断）。

  3. 当队列为空时，进入循环等待状态。如果nanos小于等于0，表示超时时间已到，直接返回null。

  4. 使用notEmpty.awaitNanos(nanos)来等待非空条件满足，并根据等待时间的剩余纳秒数更新nanos值。

  5. 当队列不为空时，调用dequeue()方法来取出并返回队列头部的元素。

  6. 最终释放锁并返回取出的元素。

6.3 remove()方法

remove()方法用于移除并返回队列的头部元素。如果队列为空，则抛出NoSuchElementException异常。

public E remove() {E x = poll();if (x != null)return x;elsethrow new NoSuchElementException();
}

  1. 调用队列的poll()方法来尝试取出并返回队列的头部元素。

  2. 如果poll()方法返回的元素不为null，表示成功取出了一个元素，则直接返回该元素。

  3. 如果poll()方法返回的元素为null，表示队列为空，此时抛出NoSuchElementException异常。

6.4 take()方法

take()方法用于从队列中取出并移除头部的元素。如果队列为空，该方法将阻塞直到队列中有可用元素为止。

 public E take() throws InterruptedException {final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lockInterruptibly();try {while (count == 0)notEmpty.await();return dequeue();} finally {lock.unlock();}}

  1. 获取队列中的锁对象lock，并尝试获取锁（支持中断）。

  2. 当队列为空时，进入循环等待状态，调用notEmpty.await()来等待非空条件满足，即等待队列中有元素可用。

  3. 当队列不为空时，调用dequeue()方法来取出并返回队列头部的元素。

  4. 最终释放锁并返回取出的元素。

7.检查元素

7.1 peek

在调用peek()时，会返回队列头部的元素但不将其从队列中移除。如果队列为空，则返回null。

public E peek() {final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lock();try {return itemAt(takeIndex); // null when queue is empty} finally {lock.unlock();}
}

  1. 获取队列中的锁对象lock，并尝试获取锁。

  2. 调用itemAt(int i)获取索引为takeIndex的元素。

  3. 最终释放锁。

7.2 itemAt

返回items中索引为i的元素

final E itemAt(int i) {
return (E) items[i];
}
7.3 element

element()方法用于获取但不移除队列的头部元素。如果队列为空，则抛出NoSuchElementException异常。

public E element() {E x = peek();if (x != null)return x;elsethrow new NoSuchElementException();
}

  1. 调用队列的peek()方法来获取但不移除队列的头部元素。

  2. 如果peek()方法返回的元素不为null，表示成功获取了一个元素，则直接返回该元素。

  3. 如果peek()方法返回的元素为null，表示队列为空，此时抛出NoSuchElementException异常。

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