LinkedBlockingQueue詳解

2022 年 10 月 11 日
筆記
阻塞隊列, 並發專題

LinkedBlockingQueue介紹

　　【1】LinkedBlockingQueue是一個基於鏈表實現的阻塞隊列，默認情況下，該阻塞隊列的大小為Integer.MAX_VALUE，由於這個數值特別大，所以 LinkedBlockingQueue 也被稱作無界隊列，代表它幾乎沒有界限，隊列可以隨著元素的添加而動態增長，但是如果沒有剩餘記憶體，則隊列將拋出OOM錯誤。所以為了避免隊列過大造成機器負載或者記憶體爆滿的情況出現，我們在使用的時候建議手動傳一個隊列的大小。

　　【2】LinkedBlockingQueue內部由單鏈表實現，只能從head取元素，從tail添加元素。LinkedBlockingQueue採用兩把鎖的鎖分離技術實現入隊出隊互不阻塞，添加元素和獲取元素都有獨立的鎖，也就是說LinkedBlockingQueue是讀寫分離的，讀寫操作可以並行執行。

LinkedBlockingQueue使用

//指定隊列的大小創建有界隊列
BlockingQueue<Integer> boundedQueue = new LinkedBlockingQueue<>(100);
//無界隊列
BlockingQueue<Integer> unboundedQueue = new LinkedBlockingQueue<>();

LinkedBlockingQueue的源碼分析

　　【1】屬性值

// 容量,指定容量就是有界隊列
private final int capacity;
// 元素數量，用原子操作類的原因在於有兩個執行緒都會操作需要保證可見性
private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();
// 鏈表頭  本身是不存儲任何元素的，初始化時item指向null
transient Node<E> head;
// 鏈表尾
private transient Node<E> last;
// take鎖   鎖分離，提高效率
private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();
// notEmpty條件
// 當隊列無元素時，take鎖會阻塞在notEmpty條件上，等待其它執行緒喚醒
private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();
// put鎖
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();
// notFull條件
// 當隊列滿了時，put鎖會會阻塞在notFull上，等待其它執行緒喚醒
private final Condition notFull = putLock.newCondition();

//典型的單鏈表結構
static class Node<E> {
    E item;  //存儲元素
    Node<E> next;  //後繼節點    單鏈表結構
    Node(E x) { item = x; }
}

　　【2】構造函數

public LinkedBlockingQueue() {
    // 如果沒傳容量，就使用最大int值初始化其容量
    this(Integer.MAX_VALUE);
}

public LinkedBlockingQueue(int capacity) {
    if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
    this.capacity = capacity;
    // 初始化head和last指針為空值節點
    last = head = new Node<E>(null);
}

public LinkedBlockingQueue(Collection<? extends E> c) {
    this(Integer.MAX_VALUE);
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    putLock.lock(); // 為保證可見性而加的鎖
    try {
        int n = 0;
        for (E e : c) {
            if (e == null)
                throw new NullPointerException();
            if (n == capacity)
                throw new IllegalStateException("Queue full");
            enqueue(new Node<E>(e));
            ++n;
        }
        count.set(n);
    } finally {
        putLock.unlock();
    }
}

　　【3】核心方法分析

　　　　1）入隊put方法

public void put(E e) throws InterruptedException {    
    // 不允許null元素
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    int c = -1;
    // 新建一個節點
    Node<E> node = new Node<E>(e);
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    final AtomicInteger count = this.count;
    // 使用put鎖加鎖
    putLock.lockInterruptibly();
    try {
        // 如果隊列滿了，就阻塞在notFull上等待被其它執行緒喚醒（阻塞生產者執行緒）
        while (count.get() == capacity) {
            notFull.await();
        }  
        // 隊列不滿，就入隊
        enqueue(node);
        c = count.getAndIncrement();// 隊列長度加1，返回原值
        // 如果現隊列長度小於容量，notFull條件隊列轉同步隊列，準備喚醒一個阻塞在notFull條件上的執行緒(可以繼續入隊) 
        // 這裡為啥要喚醒一下呢？因為存在情況是，沒人獲取時，隊列滿了而且還不斷有人塞數據，此時會一大批執行緒被阻塞，現在有空餘位置了，應該被喚醒
        if (c + 1 < capacity)
            notFull.signal();
    } finally {
        putLock.unlock(); // 真正喚醒生產者執行緒
    }  
    // 如果原隊列長度為0，現在加了一個元素後立即喚醒阻塞在notEmpty上的執行緒
    if (c == 0)
        signalNotEmpty();
}
private void enqueue(Node<E> node) { 
    // 直接加到last後面,last指向入隊元素
    last = last.next = node;
}    
private void signalNotEmpty() {
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock; 
    takeLock.lock();// 加take鎖
    try {  
        notEmpty.signal();// notEmpty條件隊列轉同步隊列，準備喚醒阻塞在notEmpty上的執行緒
    } finally {
        takeLock.unlock();  // 真正喚醒消費者執行緒
    }
}

　　　　2）出隊take方法

public E take() throws InterruptedException {
    E x;
    int c = -1;
    final AtomicInteger count = this.count;
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    // 使用takeLock加鎖
    takeLock.lockInterruptibly();
    try {
        // 如果隊列無元素，則阻塞在notEmpty條件上（消費者執行緒阻塞）
        while (count.get() == 0) {
            notEmpty.await();
        }
        // 否則，出隊
        x = dequeue();
        c = count.getAndDecrement();//長度-1，返回原值
        if (c > 1)// 如果取之前隊列長度大於1，notEmpty條件隊列轉同步隊列，準備喚醒阻塞在notEmpty上的執行緒，原因與入隊同理
            notEmpty.signal();
    } finally {
        takeLock.unlock(); // 真正喚醒消費者執行緒
    }
    // 為什麼隊列是滿的才喚醒阻塞在notFull上的執行緒呢？
    // 因為喚醒是需要加putLock的，這是為了減少鎖的次數,所以，這裡索性在放完元素就檢測一下，未滿就喚醒其它notFull上的執行緒,
    // 這也是鎖分離帶來的代價
    // 如果取之前隊列長度等於容量（已滿），則喚醒阻塞在notFull的執行緒
    if (c == capacity)
        signalNotFull();
    return x;
}
private E dequeue() {
     // head節點本身是不存儲任何元素的
    // 這裡把head刪除，並把head下一個節點作為新的值
    // 並把其值置空，返回原來的值
    Node<E> h = head;
    Node<E> first = h.next;
    h.next = h; // 方便GC
    head = first;
    E x = first.item;
    first.item = null;
    return x;
}
private void signalNotFull() {
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    putLock.lock();
    try {
        notFull.signal();// notFull條件隊列轉同步隊列，準備喚醒阻塞在notFull上的執行緒
    } finally {
        putLock.unlock(); // 解鎖，這才會真正的喚醒生產者執行緒
    }
}

LinkedBlockingQueue總結

　　【1】無界阻塞隊列，可以指定容量，默認為 Integer.MAX_VALUE，先進先出，存取互不干擾

　　【2】數據結構：鏈表（可以指定容量，默認為 Integer.MAX_VALUE，內部類Node存儲元素）

　　【3】鎖分離：存取互不干擾，存取操作的是不同的Node對象（takeLock【取Node節點保證前驅後繼不亂】，putLock【存Node節點保證前驅後繼不亂】，刪除時則兩個鎖一起加）【這是最大的亮點】

　　【4】阻塞對象（notEmpty【出隊：隊列count=0，無元素可取時，阻塞在該對象上】，notFull【入隊：隊列count=capacity，放不進元素時，阻塞在該對象上】）

　　【5】入隊，從隊尾入隊，由last指針記錄。

　　【6】出隊，從隊首出隊，由head指針記錄。

　　【7】執行緒池中採用LinkedBlockingQueue而不採用ArrayBlockingQueue的原因便是因為鎖分離帶來了性能的提升，大大提高隊列的吞吐量。

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