如何分析阻塞队列ArrayBlockingQueue源码

引言

ArrayBlockingQueue 是 Java 并发包 java.util.concurrent 中的一个重要类，它是一个基于数组实现的有界阻塞队列。理解 ArrayBlockingQueue 的源码不仅有助于我们更好地使用它，还能加深对并发编程的理解。本文将从以下几个方面逐步分析 ArrayBlockingQueue 的源码：

1. 基本结构
2. 核心方法
3. 并发控制
4. 源码解析
5. 使用场景与注意事项

1. 基本结构

ArrayBlockingQueue 是一个基于数组实现的有界阻塞队列。它的容量在创建时就已经确定，并且在整个生命周期中不会改变。队列中的元素按照 FIFO（先进先出）的原则进行存取。

1.1 类定义

public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
        implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
    // 省略其他代码
}

ArrayBlockingQueue 继承自 AbstractQueue，并实现了 BlockingQueue 接口。BlockingQueue 接口定义了一系列阻塞操作，如 put 和 take，这些操作在队列满或空时会阻塞线程。

1.2 核心字段

final Object[] items; // 存储队列元素的数组
int takeIndex;       // 下一个要取出的元素索引
int putIndex;        // 下一个要插入的元素索引
int count;           // 队列中的元素数量
final ReentrantLock lock; // 控制并发访问的锁
private final Condition notEmpty; // 用于等待非空的条件
private final Condition notFull;  // 用于等待非满的条件

• items：用于存储队列元素的数组。
• takeIndex：指向下一个要取出的元素。
• putIndex：指向下一个要插入的元素。
• count：当前队列中的元素数量。
• lock：用于控制并发访问的锁。
• notEmpty 和 notFull：分别用于在队列为空或满时阻塞线程的条件。

2. 核心方法

ArrayBlockingQueue 的核心方法包括 put、take、offer 和 poll。这些方法分别用于插入和移除元素，并且在队列满或空时会表现出不同的行为。

2.1 put 方法

put 方法用于向队列中插入一个元素。如果队列已满，则当前线程会被阻塞，直到队列有空闲空间。

public void put(E e) throws InterruptedException {
    Objects.requireNonNull(e);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        while (count == items.length)
            notFull.await();
        enqueue(e);
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

• lock.lockInterruptibly()：获取锁，允许中断。
• while (count == items.length)：如果队列已满，则等待。
• notFull.await()：当前线程在 notFull 条件上等待。
• enqueue(e)：将元素插入队列。

2.2 take 方法

take 方法用于从队列中移除并返回一个元素。如果队列为空，则当前线程会被阻塞，直到队列中有元素可用。

public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        while (count == 0)
            notEmpty.await();
        return dequeue();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

• while (count == 0)：如果队列为空，则等待。
• notEmpty.await()：当前线程在 notEmpty 条件上等待。
• dequeue()：从队列中移除并返回一个元素。

2.3 offer 方法

offer 方法用于向队列中插入一个元素。如果队列已满，则立即返回 false，而不是阻塞线程。

public boolean offer(E e) {
    Objects.requireNonNull(e);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        if (count == items.length)
            return false;
        else {
            enqueue(e);
            return true;
        }
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

• if (count == items.length)：如果队列已满，则返回 false。
• enqueue(e)：将元素插入队列。

2.4 poll 方法

poll 方法用于从队列中移除并返回一个元素。如果队列为空，则立即返回 null，而不是阻塞线程。

public E poll() {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        return (count == 0) ? null : dequeue();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

• (count == 0) ? null : dequeue()：如果队列为空，则返回 null，否则移除并返回一个元素。

3. 并发控制

ArrayBlockingQueue 使用 ReentrantLock 来控制并发访问。所有的插入和移除操作都需要先获取锁，确保同一时刻只有一个线程可以修改队列。

3.1 锁的使用

final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
    // 操作队列
} finally {
    lock.unlock();
}

• lock.lock()：获取锁。
• lock.unlock()：释放锁。

3.2 条件变量

ArrayBlockingQueue 使用两个条件变量 notEmpty 和 notFull 来实现线程的阻塞和唤醒。

• notEmpty：当队列为空时，take 操作会阻塞在 notEmpty 上，直到有元素被插入。
• notFull：当队列满时，put 操作会阻塞在 notFull 上，直到有元素被移除。

4. 源码解析

4.1 enqueue 方法

enqueue 方法用于将元素插入队列。

private void enqueue(E x) {
    final Object[] items = this.items;
    items[putIndex] = x;
    if (++putIndex == items.length)
        putIndex = 0;
    count++;
    notEmpty.signal();
}

• items[putIndex] = x：将元素插入到 putIndex 位置。
• if (++putIndex == items.length)：如果 putIndex 超出数组范围，则重置为 0。
• count++：增加队列中的元素数量。
• notEmpty.signal()：唤醒等待在 notEmpty 上的线程。

4.2 dequeue 方法

dequeue 方法用于从队列中移除并返回一个元素。

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--;
    notFull.signal();
    return x;
}

• E x = (E) items[takeIndex]：获取 takeIndex 位置的元素。
• items[takeIndex] = null：将 takeIndex 位置的元素置为 null。
• if (++takeIndex == items.length)：如果 takeIndex 超出数组范围，则重置为 0。
• count--：减少队列中的元素数量。
• notFull.signal()：唤醒等待在 notFull 上的线程。

5. 使用场景与注意事项

5.1 使用场景

ArrayBlockingQueue 适用于以下场景：

• 生产者-消费者模型：多个生产者线程向队列中插入元素，多个消费者线程从队列中取出元素。
• 任务调度：将任务放入队列中，由工作线程依次处理。

5.2 注意事项

• 队列容量：ArrayBlockingQueue 是有界队列，创建时需要指定容量。如果容量设置过小，可能会导致频繁的阻塞。
• 公平性：ArrayBlockingQueue 支持公平锁和非公平锁。公平锁可以避免线程饥饿，但可能会降低吞吐量。
• 异常处理：在使用 put 和 take 方法时，需要注意处理 InterruptedException 异常。

结论

通过对 ArrayBlockingQueue 源码的分析，我们了解了其内部实现机制，包括基于数组的存储结构、并发控制、以及核心方法的实现。理解这些内容不仅有助于我们更好地使用 ArrayBlockingQueue，还能提升我们在并发编程中的能力。在实际开发中，合理使用 ArrayBlockingQueue 可以有效解决生产者-消费者问题，提升系统的并发性能。