1、简介
ArrayBlockingQueue，顾名思义：基于数组的阻塞队列。数组是要指定长度的，所以使用ArrayBlockingQueue时必须指定长度，也就是它是一个有界队列。
它实现了BlockingQueue接口，有着队列、集合以及阻塞队列的所有方法，队列类图如下图所示
既然它在JUC包内，说明使用它是线程安全的，它内部使用ReentrantLock来保证线程安全。ArrayBlockingQueue支持对生产者线程和消费者线程进行公平的调度，默认情况下是不保证公平性的。公平性通常会降低吞吐量，但是减少了可变性和避免了线程饥饿问题。
2、数据结构
通常，队列的实现方式有数组和链表两种方式。对于数组这种实现方式来说，我们可以通过维护一个队尾指针，使得在入队的时候可以在O(1)的时间内完成；但是对于出队操作，在删除队头元素之后，必须将数组中的所有元素都往前移动一个位置，这个操作的复杂度达到了O(n)，效果并不是很好。如下图所示：
为了解决这个问题，我们可以使用另外一种逻辑结构来处理数组中各个位置之间的关系。假设现在我们有一个数组A[1…n]，我们可以把它想象成一个环型结构，即A[n]之后是A[1]，相信了解过一致性Hash算法的童鞋应该很容易能够理解。如下图所示：我们可以使用两个指针，分别维护队头和队尾两个位置，使入队和出队操作都可以在O(1)的时间内完成。当然，这个环形结构只是逻辑上的结构，实际的物理结构还是一个普通的数据。
讲完ArrayBlockingQueue的数据结构，接下来我们从源码层面看看它是如何实现阻塞的。
3、源码分析
3.1、属性
//队列的底层结构
final Object[] items;
//队头指针
int takeIndex;
//队尾指针
int putIndex;
//队列中的元素个数
int count;
final ReentrantLock lock;
//并发时的两种状态
private final Condition notEmpty;
private final Condition notFull;
items是一个数组，用来存放入队的数据，count表示队列中元素的个数。takeIndex和putIndex分别代表队头和队尾指针。
3.2、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();
}
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair,
Collection<? extends E> c) {
this(capacity, fair);
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock(); // Lock only for visibility, not mutual exclusion
try {
int i = 0;
try {
for (E e : c) {
checkNotNull(e);
items[i++] = e;
}
} catch (ArrayIndexOutOfBoundsException ex) {
throw new IllegalArgumentException();
}
count = i;
putIndex = (i == capacity) ? 0 : i;
} finally {
lock.unlock();
}
}
第一个构造函数只需要制定队列大小，默认为非公平锁。
第二个构造函数可以手动制定公平性和队列大小。
第三个构造函数里面使用了ReentrantLock来加锁，然后把传入的集合元素按顺序一个个放入items中。这里加锁目的不是使用它的互斥性，而是让items中的元素对其他线程可见（用的是AQS里的state的volatile可见性）。
3.3、方法
3.3.1、入队方法
ArrayBlockingQueue 提供了多种入队操作的实现来满足不同情况下的需求，入队操作有如下几种：
- boolean add(E e);
- void put(E e)；
- boolean offer(E e)；
- boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)。
add(E e)
public boolean add(E e) {
return super.add(e);
}
//super.add(e)
public boolean add(E e) {
if (offer(e))
return true;
else
throw new IllegalStateException("Queue full");
}
可以看到add方法调用的是父类，也就是AbstractQueue的add方法，它实际上调用的就是offer方法。
offer(E e)
我们接着上面的add方法来看offer方法：
public boolean offer(E e) {
checkNotNull(e);
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
if (count == items.length)
return false;
else {
enqueue(e);
return true;
}
} finally {
lock.unlock();
}
}
offer方法在队列满了的时候返回false，否则调用enqueue方法插入元素，并返回true。
private void enqueue(E x) {
final Object[] items = this.items;
items[putIndex] = x;
// 圆环的index操作
if (++putIndex == items.length)
putIndex = 0;
count++;
notEmpty.signal();
}
enqueue方法首先把元素放在items的putIndex位置，接着判断在putIndex+1等于队列的长度时把putIndex设置为0，也就是上面提到的圆环的index操作。最后唤醒等待获取元素的线程。
offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)方法只是在offer(E e)的基础上增加了超时时间的概念。
public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
checkNotNull(e);
// 把超时时间转换成纳秒
long nanos = unit.toNanos(timeout);
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 获取一个可中断的互斥锁
lock.lockInterruptibly();
try {
// while循环的目的是防止在中断后没有到达传入的timeout时间，继续重试
while (count == items.length) {
if (nanos <= 0)
return false;
// 等待nanos纳秒，返回剩余的等待时间(可被中断)
nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
}
enqueue(e);
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}
该方法利用了Condition的awaitNanos方法，等待指定时间，因为该方法可中断，所以这里利用while循环来处理中断后还有剩余时间的问题，等待时间到了以后调用enqueue方法放入队列。
put(E e)
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();
}
}
put方法在count等于items长度时，一直等待，直到被其他线程唤醒。唤醒后调用enqueue方法放入队列。
3.3.2、出队方法
入队列的方法说完后，我们来说说出队列的方法。ArrayBlockingQueue提供了多种出队操作的实现来满足不同情况下的需求，如下：
- E poll();
- E poll(long timeout, TimeUnit unit);
- E take()。
poll()
public E poll() {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
return (count == 0) ? null : dequeue();
} finally {
lock.unlock();
}
}
poll方法是非阻塞方法，如果队列没有元素返回null，否则调用dequeue把队首的元素出队列。
private E dequeue() {
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;
}
dequeue会根据takeIndex获取到该位置的元素，并把该位置置为null，接着利用圆环原理，在takeIndex到达列表长度时设置为0，最后唤醒等待元素放入队列的线程。
poll(long timeout, TimeUnit unit)
该方法是poll()的可配置超时等待方法，和上面的offer一样，使用while循环+Condition的awaitNanos来进行等待，等待时间到后执行dequeue获取元素。
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();
}
}
take()
public E take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == 0)
notEmpty.await();
return dequeue();
} finally {
lock.unlock();
}
}
3.3.3、获取元素方法
peek()
public E peek() {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
return itemAt(takeIndex); // null when queue is empty
} finally {
lock.unlock();
}
}
final E itemAt(int i) {
return (E) items[i];
}
这里获取元素时上锁是为了避免脏数据的产生。
3.3.4、删除元素方法
remove(Object o)
我们可以想象一下，队列中删除某一个元素时，是不是要遍历整个数据找到该元素，并把该元素后的所有元素往前移一位，也就是说，该方法的时间复杂度为O(n)。
public boolean remove(Object o) {
if (o == null) return false;
final Object[] items = this.items;
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
if (count > 0) {
final int putIndex = this.putIndex;
int i = takeIndex;
// 从takeIndex一直遍历到putIndex，直到找到和元素o相同的元素，调用removeAt进行删除
do {
if (o.equals(items[i])) {
removeAt(i);
return true;
}
if (++i == items.length)
i = 0;
} while (i != putIndex);
}
return false;
} finally {
lock.unlock();
}
}
remove方法比较简单，它从takeIndex一直遍历到putIndex，直到找到和元素o相同的元素，调用removeAt进行删除。我们重点来看一下removeAt方法。
void removeAt(final int removeIndex) {
final Object[] items = this.items;
if (removeIndex == takeIndex) {
// removing front item; just advance
items[takeIndex] = null;
if (++takeIndex == items.length)
takeIndex = 0;
count--;
if (itrs != null)
itrs.elementDequeued();
} else {
// an "interior" remove
// slide over all others up through putIndex.
final int putIndex = this.putIndex;
for (int i = removeIndex;;) {
int next = i + 1;
if (next == items.length)
next = 0;
if (next != putIndex) {
items[i] = items[next];
i = next;
} else {
items[i] = null;
this.putIndex = i;
break;
}
}
count--;
if (itrs != null)
itrs.removedAt(removeIndex);
}
notFull.signal();
}
removeAt的处理方式和我想的稍微有一点出入，它内部分为两种情况来考虑
- removeIndex == takeIndex
- removeIndex != takeIndex
也就是我考虑的时候没有考虑边界问题。当removeIndex == takeIndex时就不需要后面的元素整体往前移了，而只需要把takeIndex的指向下一个元素即可（还记得前面说的ArrayBlockingQueue可以类比为圆环吗）。
当removeIndex != takeIndex时，通过putIndex将removeIndex后的元素往前移一位。
4、总结
ArrayBlockingQueue是一个阻塞队列，内部由ReentrantLock来实现线程安全，由Condition的await和signal来实现等待唤醒的功能。它的数据结构是数组，准确的说是一个循环数组（可以类比一个圆环），所有的下标在到达最大长度时自动从0继续开始。
