大飞老师带你看线程（并发容器—LinkedBlockingQueue）

本文作者：王一飞，叩丁狼高级讲师。原创文章，转载请注明出处。

概念

LinkedBlockingQueue按照api解释：一个基于链表而实现的有界阻塞队列。遵循先进先出原则，由队头入列，再从队尾出列。具体操作上跟ArrayBlockingQueue类似，区别在于底层维护数据上，LinkedBlockingQueue底层是一个链接，而ArrayBlockingQueue是一个数组。


外部结构

内部结构

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

    private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();  //队列元素个数
    private final int capacity;  //队列容器
    transient Node<E> head;  //队头
    private transient Node<E> last; //队尾

    //出列入列过程中维护现场安全的各类锁
    private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();
    private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();
    private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();
    private final Condition notFull = putLock.newCondition();

    //队列数据节点
    static class Node<E> {
        E item;
        Node<E> next;
        Node(E x) { item = x; }
    }
}
基本操作
public class App {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        LinkedBlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingQueue(5);
        //入列
        queue.add("a");  //队列满后抛异常
        queue.put("b");//队列满后阻塞
        queue.offer("c"); //入列失败返回false
        System.out.println(queue);
        queue.put("a");
        queue.put("b");
        queue.put("c");
        queue.put("d");
        queue.put("e");
        //出列
        queue.remove("a"); //删除指定元素
        queue.poll();  //出列，如果队列为空返回null
        queue.take();  //队列为空，阻塞等待

        System.out.println(queue);
    }
}

一般推荐使用put入列， take出列

源码解析

构造-LinkedBlockingQueue提供了3个构造器，无参， 带有容量，带集合数据

    //无参数时，默认容量为int的最大值
    public LinkedBlockingQueue() {
        this(Integer.MAX_VALUE);
    }
    //带容量参数【推荐】
    public LinkedBlockingQueue(int capacity) {
        if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
        this.capacity = capacity;
        //初始化队头，队尾
        last = head = new Node<E>(null);
    }
    //带数据集合
    public LinkedBlockingQueue(Collection<? extends E> c) {
        this(Integer.MAX_VALUE);   //容量为int最大值
        final ReentrantLock putLock = this.putLock;
        putLock.lock(); //谨慎起见也加锁，需要将传入集合逐一入列
        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();
        }
    }

LinkedBlockingQueue 3个构造器，实际使用中更推荐使用指定容量的队列。

在继续看源码前，先了解一个原子操作类：AtomicInteger

        //int 类型的原子操作，不指定初始为0
        //底层维护了一个volatile 修饰变量 value = 0
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
        //获取：value = 0
        System.out.println(atomicInteger.get());  //0
        //返回value值0， 然后value 值加一【这里也是原子操作】
        System.out.println(atomicInteger.getAndIncrement()); //0
        //返回value值1， 然后value 值加一【这里也是原子操作】
        System.out.println(atomicInteger.getAndIncrement()); //1
        //获取：value=2
        System.out.println(atomicInteger.get()); //2

        //int 类型的原子操作，不指定初始为0
        //底层维护了一个volatile 修饰变量 value = 0
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
        //获取：value = 0
        System.out.println(atomicInteger.get());  //0
        //返回value值0， 然后value 值减一【这里也是原子操作】
        System.out.println(atomicInteger.getAndDecrement()); //0
        //返回value值1， 然后value 值减一【这里也是原子操作】
        System.out.println(atomicInteger.getAndDecrement()); //-1
        //返回value值1
        System.out.println(atomicInteger.get()); //-2

getAndIncrement ： 返回未操作前value 的值， 然后加1
getAndDecrement ： 返回未操作前value 的值， 然后减1

入列-put：将入列数据添加到队尾，如果队列满了，阻塞等待。

public void put(E e) throws InterruptedException {
        //入列元素不允许为null
        if (e == null) throw new NullPointerException();
        //队列临时容量缓存，作为执行唤醒/阻塞线程操作标记
        int c = -1;
        Node<E> node = new Node<E>(e);
        //入列锁
        final ReentrantLock putLock = this.putLock;
        //队列元素个数
        final AtomicInteger count = this.count;
        putLock.lockInterruptibly(); //入列前加锁，可中断锁
        try {
            //自旋排除硬件加锁延时问题
            //如果队列已满，线程阻塞等待
            while (count.get() == capacity) {
                notFull.await();
            }
            //数据入列
            enqueue(node);
             //原子操作，入列后再获取队列元素个数，并+1，确保当前操作队列元素个数最新
            c = count.getAndIncrement();
            //c + 1 < capacity 表示队列未满，仍可添加，唤醒未持锁而等待的入列线程
            if (c + 1 < capacity)
                notFull.signal();
        } finally {
            putLock.unlock(); //释放锁
        }
        //c == 0 说明队列为空，唤醒入列线程入列 
        if (c == 0)
            signalNotEmpty();
    }

从上面源码上看put方法其实做5件事：
1>判断元素是否null， 为null 抛异常
2>判断是否满列，满列则等待，此处需要留意while这个操作。
理想请求下，if即可，但是有种情况，如果jvm执行指令传到cpu到程序时间片执行存在一点的时间延时，while 重复执行，可以减少延时影响。
3>数据入列
4>入列后需要唤醒未持锁而等待的入列线程
5>c==0的判断， c的值是入列前容量值，如果为0说明入列前，队列为空，可以存在出列等待线程，所以在c==0的时候，且已经入列成功，可以唤醒出列等待线程，让其顺利出列。

出列-take : 出列，从队头弹出元素， 如果队列个数为0， 阻塞等待。

public E take() throws InterruptedException {
        E x;
         //队列临时容量缓存，作为执行唤醒/阻塞线程操作标记
        int c = -1; 
        //队列元素个数
        final AtomicInteger count = this.count;
         //出列锁
        final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
        takeLock.lockInterruptibly();//出列前加锁，可中断锁
        try {
            //自旋排除硬件加锁延时问题
            //如果队列已空，线程阻塞等待
            while (count.get() == 0) {
                notEmpty.await();
            }
            x = dequeue();  //数据出列
            //原子操作，出列后再获取队列元素个数，并-1，确保当前操作队列元素个数最新
            c = count.getAndDecrement();
            //c > 1 表示队列未空，仍可出列，唤醒未持锁而等待的出列线程
            if (c > 1)  
                notEmpty.signal();
        } finally {
            takeLock.unlock();//释放锁
        }
        //c == capacity 说明队列已满，唤醒出列线程出列 
        if (c == capacity)
            signalNotFull();
        return x;
    }

上面源码看出，take操作跟put原理差不多，执行的是反向操作而已。需要注意的是take方法唤醒线程条件c 变量值判断条件。
1> 出列成功之后， c > 1 表示出列前队列至少有2个元素，所以出列成功后，唤醒未持锁而等待的出列线程
2>c == capacity 满足这个条件， 表示出列前，队列是满的，可能存在入列等待线程，出列成功之后，解除等待，唤醒入列等待线程。

删除-remove : 根据指定元素删除队列中的元素，如果有删除，如果没有返回false

public boolean remove(Object o) {
        if (o == null) return false;   //参数为null 直接返回
        fullyLock();  //为保证入列出列线程安全，加双锁
        try {
            //循环遍历列表，删除指定元素
            for (Node<E> trail = head, p = trail.next;
                 p != null;
                 trail = p, p = p.next) {
                if (o.equals(p.item)) {
                    unlink(p, trail);  //元素删除
                    return true;
                }
            }
            return false;
        } finally {
            fullyUnlock();  //是否双锁
        }
    }

    void fullyLock() {
        putLock.lock();
        takeLock.lock();
    }

    void unlink(Node<E> p, Node<E> trail) {
        p.item = null;
        trail.next = p.next;
        if (last == p)
            last = trail;
        //删除元素后，队列元素个数-1，唤醒入列等待线程
        if (count.getAndDecrement() == capacity)
            notFull.signal();
    }

    void fullyUnlock() {
        takeLock.unlock();
        putLock.unlock();
    }

LinkedBlockingQueue 在执行删除操作，需要对takeLock 跟 putLock同时加锁，其目标确保在删除期间，其他线程无法操作队列，进而保证删除操作的线程安全。

总结

LinkedBlockingQueue 使用2把锁确保线程安全，入列时使用putLock，出列时使用takeLock，这种锁分离操作机制，在一定层面上提高队列的吞吐量，在高并发的情况下生产者(入列线程)和消费者(出列线程)可以并行地操作队列中的数据，以此来提高整个队列的并发性能。

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