java-ArrayBlockingQueue详解

在Java并发编程中，ArrayBlockingQueue是一个非常常用的工具类。它是一个由数组支持的有界阻塞队列，提供了线程安全的队列操作。

1.ArrayBlockingQueue概述

ArrayBlockingQueue是一个基于数组实现的阻塞队列，它继承自AbstractQueue并实现了BlockingQueue接口。这个队列在创建时需要指定一个固定的大小，之后这个大小就不能再改变了。当队列满时，如果再有新的元素试图加入队列，那么这个操作会被阻塞；同样地，如果队列为空，那么从队列中取元素的操作也会被阻塞。这种特性使得ArrayBlockingQueue非常适合作为生产者-消费者模式中的缓冲区。

2.ArrayBlockingQueue的核心特性

2.1.线程安全性

ArrayBlockingQueue是线程安全的，它通过内部锁机制保证了在多线程环境下的安全性。因此，在多线程环境中，你可以放心地使用它而不需要担心数据的一致性问题。

2.2.阻塞控制

ArrayBlockingQueue提供了阻塞控制机制。当队列满时，尝试向队列中添加元素的线程会被阻塞，直到队列中有空间可用；同样，当队列为空时，尝试从队列中取出元素的线程也会被阻塞，直到队列中有元素可供消费。这种机制可以有效地控制生产者和消费者的速度，避免资源的浪费。

2.3.有界性

ArrayBlockingQueue的有界性可以防止队列无限制地增长，从而避免内存溢出。在实际应用中，这种有界性可以作为系统的一个流量控制阀，当系统过载时，通过阻塞或拒绝请求来保护系统。

3.ArrayBlockingQueue的使用

3.1.创建ArrayBlockingQueue

创建一个ArrayBlockingQueue非常简单，只需要指定队列的大小即可：

int queueSize = 10;
BlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<>(queueSize);

3.2.生产者-消费者模式

ArrayBlockingQueue常用于生产者-消费者模式。生产者负责生成数据并添加到队列中，而消费者则从队列中取出数据并处理。下面是一个简单的生产者-消费者示例：

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;public class ProducerConsumerExample {public static void main(String[] args) {BlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<>(5);Thread producer = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 10; i++) {try {System.out.println("生产者生产了数据：" + i);queue.put(i);Thread.sleep(200);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}});Thread consumer = new Thread(() -> {while (true) {try {Integer data = queue.take();System.out.println("消费者消费了数据：" + data);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}});producer.start();consumer.start();}
}

运行结果：

生产者生产了数据：0
消费者消费了数据：0
生产者生产了数据：1
消费者消费了数据：1
生产者生产了数据：2
消费者消费了数据：2
生产者生产了数据：3
消费者消费了数据：3
生产者生产了数据：4
消费者消费了数据：4
生产者生产了数据：5
消费者消费了数据：5
生产者生产了数据：6
消费者消费了数据：6
生产者生产了数据：7
消费者消费了数据：7
生产者生产了数据：8
消费者消费了数据：8
生产者生产了数据：9
消费者消费了数据：9

在这个示例中，我们创建了一个大小为5的ArrayBlockingQueue，然后启动了一个生产者线程和一个消费者线程。生产者线程会生成10个数据，并尝试将它们添加到队列中；消费者线程则会不断地从队列中取出数据并处理。由于队列的大小只有5，因此当生产者生产了5个数据后，它会被阻塞，直到消费者消费了一些数据释放出空间。同样地，当队列为空时，消费者线程也会被阻塞，直到生产者生产了新的数据。

4.ArrayBlockingQueue的最佳实践

4.1.选择合适的队列大小

队列的大小应根据具体的应用场景来设置。如果设置得太小，可能会导致频繁的阻塞和上下文切换，影响性能；如果设置得太大，可能会浪费内存资源。因此，在选择队列大小时，需要综合考虑系统的负载、内存资源和性能要求等因素。

4.2.合理使用阻塞方法

ArrayBlockingQueue提供了多种阻塞方法，如put、take、offer和poll等。在使用这些方法时，需要根据具体的需求来选择合适的方法。例如，如果你希望当队列满时生产者线程能够阻塞等待空间可用，那么可以使用put方法；如果你希望生产者线程在队列满时能够立即返回并做其他处理，那么可以使用offer方法。

4.3.避免死锁

在使用ArrayBlockingQueue时，需要注意避免死锁的发生。例如，不要在持有其他锁的情况下调用ArrayBlockingQueue的阻塞方法，否则可能会导致死锁。此外，还需要注意避免循环等待和饥饿等问题。

4.4.考虑使用公平策略

ArrayBlockingQueue的构造函数允许指定一个公平性参数。如果设置为true，等待时间最长的线程将优先获得访问队列的机会。但需要注意的是，公平性可能会降低性能。因此，在决定是否使用公平策略时，需要综合考虑系统的性能和公平性要求。

5.源码详解

5.1.主要属性

// 用于存储队列元素的数组
final Object[] items;// 队列的容量
int count;// 控制并发访问的锁
final ReentrantLock lock;// 队列不满时的等待条件
private final Condition notFull;// 队列不为空时的等待条件
private final Condition notEmpty;// 队列中等待取数据的线程数
final AtomicInteger waitingConsumers = new AtomicInteger();// 队列中等待插入数据的线程数
final AtomicInteger waitingProducers = new AtomicInteger();

5.2.构造函数

ArrayBlockingQueue 提供了几种构造函数，其中最基本的两个是接受队列容量和指定是否公平的构造函数。

public ArrayBlockingQueue(int capacity) {this(capacity, false);
}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();
}

5.3.入队操作

put(E e) 和 offer(E e) 是两种入队操作，其中 put 方法在队列满时会阻塞，而 offer 方法在队列满时会立即返回失败或者根据提供的超时时间等待。

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();}
}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();}
}private void enqueue(E x) {// 队列尾部插入元素final Object[] items = this.items;items[putIndex] = x;if (++putIndex == items.length)putIndex = 0;count++;// 通知可能在等待的消费者线程notEmpty.signal();
}

5.4.出队操作

take() 和 poll() 是两种出队操作，其中 take 方法在队列空时会阻塞，而 poll 方法在队列空时会立即返回 null 或者根据提供的超时时间等待。

public E take() throws InterruptedException {final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lockInterruptibly();try {while (count == 0)notEmpty.await();return dequeue();} finally {lock.unlock();}
}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();}
}private E dequeue() {// 队列头部取出元素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();// 通知可能在等待的生产者线程notFull.signal();return x;
}

6.总结

ArrayBlockingQueue是Java并发编程中一个非常实用的工具类。它提供了线程安全的阻塞队列实现，支持生产者-消费者模式，并允许通过队列的大小来控制系统的流量。在使用ArrayBlockingQueue时，需要注意选择合适的队列大小、合理使用阻塞方法、避免死锁和考虑使用公平策略等问题。通过合理地使用ArrayBlockingQueue，可以有效地提高系统的并发性能和稳定性。