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ArrayBlockingQueue講解及原始碼決議

2020-10-31 12:42:02 軟體設計

概述

自java5后,jdk增加了concurrent包,concurrent中的BlockingQueue,也就是堵塞佇列,BlockingQueue只是一個介面,jdk為其提供了豐富的實作類,適用于不同的場景,這篇講的是ArrayBlockingQueue,

ArrayBlockingQueue簡介

ArrayBlockingQueue繼承了AbstractQueue類和實作了BlockingQueue介面,是一個基于陣列的有界佇列,鎖是基于ReentrantLock實作,只有一個鎖物件,這就導致入隊/出隊共用一把鎖,無法實作存取并行,

應用

1.在實際應用中,設定陣列大小時要充分考慮到資料量,如果設定值過小,容易造成堵塞,而且運行中無法修改大小,
2.不支持null元素,否則報NullPointerException例外,

主要方法

在這里插入圖片描述
1.插入資料
(1)offer(E e):如果佇列沒滿,回傳true,如果佇列已滿,回傳false(不堵塞),
(2)offer(E e, long timeout, TimeUnit unit):可以設定等待時間,如果佇列已滿,則進行等待,超過等待時間,則回傳false,
(3)put(E e):無回傳值,一直等待,直至佇列空出位置,

2.獲取資料
(1)poll():如果有資料,出隊,如果沒有資料,回傳null,
(2)poll(long timeout, TimeUnit unit):可以設定等待時間,如果沒有資料,則等待,超過等待時間,則回傳null,
(3)take():如果有資料,出隊,如果沒有資料,一直等待(堵塞),

原始碼分析

1.AbstractQueue

public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
        implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable

繼承了AbstractQueue抽象類,實作了BlockingQueue介面,

2.成員變數

final Object[] items;//佇列

    /** 下次出隊下標(take、poll、remove) */
    int takeIndex;

    /** 下次入隊下標(pull、offer、add) */
    int putIndex;

    /** 佇列中元素個數 */
    int count;


    /** 鎖 */
    final ReentrantLock lock;

    /** 等待條件(出隊) */
    private final Condition notEmpty;

    /** 等待條件(入隊) */
    private final Condition notFull;

    /**
     * 迭代器
     */
    transient Itrs itrs = null;

ArrayBlockingQueue是基于陣列的佇列,鎖是基于ReentrantLock,

3.建構式

	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();
    }

實體化ArrayBlockingQueue必須要設定陣列長度,這就是為什么ArrayBlockingQueue是一個有界佇列

4.offer

	public boolean offer(E e) {
        //判斷你是否為null,為null拋NullPointerException
        checkNotNull(e);
        //獲取鎖
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            //如果佇列已滿,回傳false
            if (count == items.length)
                return false;
            else {
                //入隊,回傳true
                enqueue(e);
                return true;
            }
        } finally {
            //釋放鎖
            lock.unlock();
        }
    }
    
    public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
            throws InterruptedException {
        //判斷是否為null,為null拋NullPointerException
        checkNotNull(e);

        long nanos = unit.toNanos(timeout);
        //獲取鎖
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        //lockInterruptibly優先考慮回應中斷
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            //如果佇列已滿
            while (count == items.length) {
                //超時直接回傳false
                if (nanos <= 0)
                    return false;
                //生產執行緒堵塞nanos時間,也有可能被喚醒,如果超過nanos時間還未被喚醒,則nanos=0,再次回圈,就會回傳false
                nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
            }
            //設定元素
            enqueue(e);
            return true;
        } finally {
            //釋放鎖
            lock.unlock();
        }
    }
    
    private void enqueue(E x) {
        // assert lock.getHoldCount() == 1;
        // assert items[putIndex] == null;
        //獲取陣列
        final Object[] items = this.items;
        //向入隊下標陣列設定元素
        items[putIndex] = x;
        //如果入隊下標已經是最后一個,則證明佇列已滿,入隊下標設定為0
        if (++putIndex == items.length)
            putIndex = 0;
        count++;
        //喚醒堵塞的消費執行緒
        notEmpty.signal();
    }

為什么offer方法設定null會拋錯,因為第一句代碼就是checkNotNull方法,佇列已滿回傳false,佇列未滿入隊,回傳true,
兩個offer方法的區別在于是否有等待時間,實作上基本一致,

5.put

	public void put(E e) throws InterruptedException {
        //判斷是否為null,為null拋NullPointerException
        checkNotNull(e);
        //獲取鎖
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        //lockInterruptibly優先考慮回應中斷
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            //如果佇列已滿
            while (count == items.length)
                //一直堵塞,直至被喚醒
                notFull.await();
            //設定元素
            enqueue(e);
        } finally {
            //釋放鎖
            lock.unlock();
        }
    }

put和offer方法差別基本不大,只是put方法通過 notFull.await(),一直堵塞,直至被喚醒

6.poll

	public E poll() {
        //獲取鎖
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            //如果佇列為空,回傳null,否則回傳dequeue方法獲取的值
            return (count == 0) ? null : dequeue();
        } finally {
            //釋放鎖
            lock.unlock();
        }
    }

    public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        //獲取等待時間
        long nanos = unit.toNanos(timeout);
        //獲取鎖
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            //如果佇列為空
            while (count == 0) {
                //當超時后,直接回傳null
                if (nanos <= 0)
                    return null;
                //將執行緒堵塞nanos時間,堵塞時間內可能被喚醒,超過nanos時間,nanos=0,下次回圈回傳null
                nanos = notEmpty.awaitNanos(nanos);
            }
            //獲取元素
            return dequeue();
        } finally {
            //釋放鎖
            lock.unlock();
        }
    }

    private E dequeue() {
        // assert lock.getHoldCount() == 1;
        // assert items[takeIndex] != null;
        final Object[] items = this.items;

        //通過出隊下標獲取元素
        @SuppressWarnings("unchecked")
        E x = (E) items[takeIndex];
        items[takeIndex] = null;
        //如果出隊是陣列中最后一個,下一個出隊從0開始
        if (++takeIndex == items.length)
            takeIndex = 0;
        count--;
        if (itrs != null)
            itrs.elementDequeued();
        //喚醒生產的執行緒
        notFull.signal();
        return x;
    }

poll方法為什么獲取不到資料會回傳null了,兩個poll之間的區別在于是否有堵塞時間,其他基本一致

7.take

public E take() throws InterruptedException {
        //獲取鎖
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            //如果佇列為空,則堵塞,直至被喚醒
            while (count == 0)
                notEmpty.await();
            //獲取元素
            return dequeue();
        } finally {
            //釋放鎖
            lock.unlock();
        }
    }

從原始碼可以看出,take十分簡單,核心邏輯是佇列為空,一致等待,直至被喚醒,

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