如何进行阻塞队列LinkedBlockingQueue源码学习与对比

引言

在并发编程中，阻塞队列（Blocking Queue）是一种非常重要的数据结构，它能够有效地解决生产者-消费者问题。Java中的LinkedBlockingQueue是BlockingQueue接口的一个实现类，它基于链表结构，提供了线程安全的队列操作。本文将详细介绍如何学习LinkedBlockingQueue的源码，并通过与其他阻塞队列的对比，深入理解其设计思想和实现细节。

1. LinkedBlockingQueue概述

1.1 什么是阻塞队列

阻塞队列是一种支持阻塞操作的队列，当队列为空时，从队列中获取元素的操作会被阻塞，直到队列中有可用元素；当队列满时，向队列中添加元素的操作会被阻塞，直到队列中有空闲空间。

1.2 LinkedBlockingQueue的特点

LinkedBlockingQueue是一个基于链表的阻塞队列，它具有以下特点：

• 无界队列：默认情况下，LinkedBlockingQueue是一个无界队列，即队列的容量可以动态增长。当然，也可以通过构造函数指定队列的最大容量。
• 线程安全：LinkedBlockingQueue内部使用了锁机制来保证线程安全。
• 高效性：由于采用了链表结构，LinkedBlockingQueue在插入和删除操作上具有较高的效率。

2. LinkedBlockingQueue源码分析

2.1 数据结构

LinkedBlockingQueue内部使用了一个单向链表来存储元素，链表的节点定义如下：

static class Node<E> {
    E item;
    Node<E> next;
    Node(E x) { item = x; }
}

每个节点包含一个元素item和一个指向下一个节点的指针next。

2.2 主要属性

LinkedBlockingQueue的主要属性包括：

• capacity：队列的容量，如果未指定，则默认为Integer.MAX_VALUE。
• count：当前队列中的元素数量。
• head：链表的头节点。
• last：链表的尾节点。
• takeLock：用于控制出队操作的锁。
• putLock：用于控制入队操作的锁。
• notEmpty：用于通知消费者线程的条件变量。
• notFull：用于通知生产者线程的条件变量。

2.3 核心方法

2.3.1 入队操作

LinkedBlockingQueue提供了多种入队方法，如put(E e)、offer(E e)等。以put(E e)为例，其源码如下：

public void put(E e) throws InterruptedException {
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    int c = -1;
    Node<E> node = new Node<E>(e);
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    final AtomicInteger count = this.count;
    putLock.lockInterruptibly();
    try {
        while (count.get() == capacity) {
            notFull.await();
        }
        enqueue(node);
        c = count.getAndIncrement();
        if (c + 1 < capacity)
            notFull.signal();
    } finally {
        putLock.unlock();
    }
    if (c == 0)
        signalNotEmpty();
}

• 锁机制：putLock用于控制入队操作，确保同一时间只有一个线程可以执行入队操作。
• 条件变量：notFull用于在队列满时阻塞生产者线程，并在队列有空闲空间时唤醒生产者线程。
• 入队操作：enqueue(node)将新节点添加到链表的尾部。
• 通知消费者：如果队列从空变为非空，调用signalNotEmpty()唤醒等待的消费者线程。

2.3.2 出队操作

LinkedBlockingQueue提供了多种出队方法，如take()、poll()等。以take()为例，其源码如下：

public E take() throws InterruptedException {
    E x;
    int c = -1;
    final AtomicInteger count = this.count;
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    takeLock.lockInterruptibly();
    try {
        while (count.get() == 0) {
            notEmpty.await();
        }
        x = dequeue();
        c = count.getAndDecrement();
        if (c > 1)
            notEmpty.signal();
    } finally {
        takeLock.unlock();
    }
    if (c == capacity)
        signalNotFull();
    return x;
}

• 锁机制：takeLock用于控制出队操作，确保同一时间只有一个线程可以执行出队操作。
• 条件变量：notEmpty用于在队列为空时阻塞消费者线程，并在队列有元素时唤醒消费者线程。
• 出队操作：dequeue()从链表的头部移除一个节点并返回其元素。
• 通知生产者：如果队列从满变为非满，调用signalNotFull()唤醒等待的生产者线程。

2.4 锁分离机制

LinkedBlockingQueue采用了锁分离机制，即入队和出队操作使用不同的锁（putLock和takeLock）。这种设计可以提高并发性能，因为生产者和消费者可以同时进行操作，而不会相互阻塞。

3. LinkedBlockingQueue与其他阻塞队列的对比

3.1 ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue是另一个常用的阻塞队列实现，它与LinkedBlockingQueue的主要区别在于：

• 数据结构：ArrayBlockingQueue基于数组实现，而LinkedBlockingQueue基于链表实现。
• 锁机制：ArrayBlockingQueue使用单一的锁来控制入队和出队操作，而LinkedBlockingQueue使用了锁分离机制。
• 性能：在大多数情况下，LinkedBlockingQueue的并发性能优于ArrayBlockingQueue，因为它的锁分离机制允许生产者和消费者同时操作。

3.2 PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是一个支持优先级的阻塞队列，它与LinkedBlockingQueue的主要区别在于：

• 排序：PriorityBlockingQueue中的元素按照优先级排序，而LinkedBlockingQueue中的元素按照插入顺序排序。
• 数据结构：PriorityBlockingQueue基于堆结构实现，而LinkedBlockingQueue基于链表实现。
• 性能：PriorityBlockingQueue的插入和删除操作的时间复杂度为O(log n)，而LinkedBlockingQueue的插入和删除操作的时间复杂度为O(1)。

3.3 SynchronousQueue

SynchronousQueue是一个特殊的阻塞队列，它不存储元素，而是直接将元素从生产者传递给消费者。与LinkedBlockingQueue相比，SynchronousQueue的主要区别在于：

• 容量：SynchronousQueue的容量为0，而LinkedBlockingQueue的容量可以动态增长。
• 性能：SynchronousQueue适用于高吞吐量的场景，因为它不需要维护队列结构，减少了内存开销。

4. 总结

通过对LinkedBlockingQueue源码的学习与对比，我们可以深入理解其设计思想和实现细节。LinkedBlockingQueue基于链表结构，采用了锁分离机制，具有较高的并发性能。与其他阻塞队列相比，LinkedBlockingQueue在大多数场景下表现优异，但在某些特定场景下，如需要优先级排序或高吞吐量的场景，可能需要选择其他类型的阻塞队列。

在实际开发中，选择合适的阻塞队列实现对于提高系统性能和稳定性至关重要。希望本文能够帮助读者更好地理解LinkedBlockingQueue，并在实际项目中做出正确的选择。