详细分析Java并发集合ArrayBlockingQueue的用法

在上一章中，我们介绍了阻塞队列BlockingQueue，下面我们介绍它的常用实现类ArrayBlockingQueue。

一. 用数组来实现队列

因为队列这种数据结构的特殊要求，所以它天然适合用链表的方式来实现，用两个变量分别记录链表头和链表尾，当删除或插入队列时，只要改变链表头或链表尾就可以了，而且链表使用引用的方式链接的，所以它的容量几乎是无限的。
那么怎么使用数组来实现队列，我们需要四个变量：Object[] array来存储队列中元素，headIndex和tailIndex分别记录队列头和队列尾，count记录队列的个数。

1. 因为数组的长度是固定，所以当count==array.length时，表示队列已经满了，当count==0的时候，表示队列是空的。
2. 当添加元素的时候，将array[tailIndex] = e将tailIndex位置设置成新元素，之后将tailIndex++自增，然后将count++自增。但是有两点需要注意，在添加之前必须先判断队列是否已满，不然会出现覆盖已有元素。当tailIndex的值等于数组最后一个位置的时候，需要将tailIndex=0，循环利用数组
3. 当删除元素的时候，将先记录下array[headIndex] 元素，之后将headIndex++自增，然后将count--自减。但是有两点需要注意要注意，在删除之前，必须先判断队列是否为空，不然可能会删除已删除的元素。

这里用了一个很巧妙的方式，我们知道当向队列中插入一个元素，那么就占用了数组的一个位置，当删除一个元素的时候，那么其实数组的这个位置就空闲出来了，表示这个位置又可以插入新元素了。

所以我们插入新元素前，必须检查队列是否已满，删除元素之前，必须检查队列是否为空。

二. ArrayBlockingQueue中重要成员变量

 /** 储存队列的中元素 */
  final Object[] items;

  /** 队列头的位置 */
  int takeIndex;

  /** 队列尾的位置 */
  int putIndex;

  /** 当前队列拥有的元素个数 */
  int count;

  /** 用来保证多线程操作共享变量的安全问题 */
  final ReentrantLock lock;

  /** 当队列为空时，就会调用notEmpty的wait方法，让当前线程等待 */
  private final Condition notEmpty;

  /** 当队列为满时，就会调用notFull的wait方法，让当前线程等待 */
  private final Condition notFull;

就是多了lock、notEmpty、notFull变量来实现多线程安全和线程等待条件的，它们三个是怎么操作的呢？

2.1 lock的作用

因为ArrayBlockingQueue是在多线程下操作的，所以修改items、takeIndex、putIndex和count这些成员变量时，必须要考虑多线程安全问题，所以这里使用lock独占锁，来保证并发操作的安全。

2.2 notEmpty与notFull的作用

因为阻塞队列必须实现，当队列为空或队列已满的时候，队列的读取或插入操作要等待。所以我们想到了并发框架下的Condition对象，使用它来控制。

在AQS中，我们介绍了这个类的作用：

1. await系列方法，会释放当前锁，并让当前线程等待。
2. signal与signalAll方法，会唤醒当前线程。其实它并不是唤醒当前线程，而是将在这个Condition条件上等待的线程，添加到lock锁上的等待线程池中，所以当锁被释放时，会唤醒lock锁上的等待线程池中一个线程。具体在AQS中有源码分析。

三. 添加元素方法

3.1 add(E e)与offer(E e)方法：

  // 调用AbstractQueue父类中的方法。
  public boolean add(E e) {
    // 通过调用offer来时实现
    if (offer(e))
      return true;
    else
      throw new IllegalStateException("Queue full");
  }

  //向队列末尾新添加元素。返回true表示添加成功，false表示添加失败，不会抛出异常
  public boolean offer(E e) {
    checkNotNull(e);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 使用lock来保证，多线程修改成员属性的安全
    lock.lock();
    try {
      // 队列已满，添加元素失败，返回false。
      if (count == items.length)
        return false;
      else {
        // 调用enqueue方法将元素插入队列中
        enqueue(e);
        return true;
      }
    } finally {
      lock.unlock();
    }
  }

add方法是调用offer方法实现的。在offer方法中，必须先判断队列是否已满，如果已满就直接返回false，而不会阻塞当前线程。如果不满就调用enqueue方法将元素插入队列中。

注意：这里使用lock.lock()是保证同一时间只有一个线程修改成员变量，防止出现并发操作问题。虽然它也会阻塞当前线程，但是它并不是条件等待，只是因为锁被其他线程持有，而ArrayBlockingQueue中方法操作时间都不长，这里相当于不阻塞线程。

3.2 put方法

  // 向队列末尾新添加元素，如果队列已满，当前线程就等待。响应中断异常
  public void put(E e) throws InterruptedException {
    checkNotNull(e);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 使用lock来保证，多线程修改成员属性的安全
    lock.lockInterruptibly();
    try {
      // 队列已满，则调用notFull.await()方法，让当前线程等待，直到队列不是满的
      while (count == items.length)
        notFull.await();
      // 调用enqueue方法将元素插入队列中
      enqueue(e);
    } finally {
      lock.unlock();
    }
  }

与offer方法大体流程一样，只是当队列已满的时候，会调用notFull.await()方法，让当前线程阻塞等待，直到队列被别的线程移除了元素，队列不满的时候，会唤醒这个等待线程。

3.3 offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)方法

/**
   * 向队列末尾新添加元素，如果队列中没有可用空间，当前线程就等待，
   * 如果等待时间超过timeout了，那么返回false，表示添加失败
   */
  public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
    throws InterruptedException {

    checkNotNull(e);
    // 计算一共最多等待的时间值nanos
    long nanos = unit.toNanos(timeout);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 使用lock来保证，多线程修改成员属性的安全
    lock.lockInterruptibly();
    try {
      // 队列已满
      while (count == items.length) {
        // nanos <= 0表示最大等待时间已到，那么不用再等待了，返回false，表示添加失败。
        if (nanos <= 0)
          return false;
        // 调用notFull.awaitNanos(nanos)方法,超时nanos时间会被自动唤醒，
        // 如果被提前唤醒，那么返回剩余的时间
        nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
      }
      // 调用enqueue方法将元素插入队列中
      enqueue(e);
      return true;
    } finally {
      lock.unlock();
    }
  }

与put的方法大体流程一样，只不过是调用notFull.awaitNanos(nanos)方法，让当前线程等待，并设置等待时间。

四. 删除元素方法

4.1 remove()和poll()方法：

  // 调用AbstractQueue父类中的方法。
  public E remove() {
    // 通过调用poll来时实现
    E x = poll();
    if (x != null)
      return x;
    else
      throw new NoSuchElementException();
  }

// 删除队列第一个元素(即队列头)，并返回它。如果队列是空的，它不会抛出异常，而是会返回null。
  public E poll() {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 使用lock来保证，多线程修改成员属性的安全
    lock.lock();
    try {
      // 如果count == 0，列表为空，就返回null，否则调用dequeue方法，返回列表头元素
      return (count == 0) ? null : dequeue();
    } finally {
      lock.unlock();
    }
  }

remove方法是调用poll()方法实现的。在 poll()方法中，如果列表为空，就返回null，否则调用dequeue方法，返回列表头元素。

4.2 take()方法

  /**
   * 返回并移除队列第一个元素，如果队列是空的，就前线程就等待。响应中断异常
   */
  public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 使用lock来保证，多线程修改成员属性的安全
    lock.lockInterruptibly();
    try {
      // 如果队列为空，就调用notEmpty.await()方法，让当前线程等待。
      // 直到有别的线程向队列中插入元素，那么这个线程会被唤醒。
      while (count == 0)
        notEmpty.await();
      // 调用dequeue方法，返回列表头元素
      return dequeue();
    } finally {
      lock.unlock();
    }
  }

take()方法当队列为空的时候，当前线程必须等待，直到有别的线程向队列中插入新元素，那么这个线程会被唤醒。

4.3 poll(long timeout, TimeUnit unit)方法

  /**
   * 返回并移除队列第一个元素，如果队列是空的，就前线程就等待。
   * 如果等待时间超过timeout了，那么返回false，表示获取元素失败
   */
  public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
    // 计算一共最多等待的时间值nanos
    long nanos = unit.toNanos(timeout);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 使用lock来保证，多线程修改成员属性的安全
    lock.lockInterruptibly();
    try {
      // 队列为空
      while (count == 0) {
        // nanos <= 0表示最大等待时间已到，那么不用再等待了，返回null。
        if (nanos <= 0)
          return null;
        // 调用notEmpty.awaitNanos(nanos)方法让档期线程等待，并设置超时时间。
        nanos = notEmpty.awaitNanos(nanos);
      }
      // 调用dequeue方法，返回列表头元素
      return dequeue();
    } finally {
      lock.unlock();
    }
  }

与take()方法流程一样，只不过调用awaitNanos(nanos)方法，让当前线程等待，并设置等待时间。

五. 查看元素的方法

5.1 element()与peek() 方法

  // 调用AbstractQueue父类中的方法。
  public E element() {
    E x = peek();
    if (x != null)
      return x;
    else
      throw new NoSuchElementException();
  }

  // 查看队列头元素
  public E peek() {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 使用lock来保证，多线程修改成员属性的安全
    lock.lock();
    try {
      // 返回当前队列头的元素
      return itemAt(takeIndex); // null when queue is empty
    } finally {
      lock.unlock();
    }
  }

六. 其他重要方法

6.1 enqueue和dequeue方法

  // 将元素x插入队列尾
  private void enqueue(E x) {
    // assert lock.getHoldCount() == 1;
    // assert items[putIndex] == null; //当前putIndex位置元素一定是null
    final Object[] items = this.items;
    items[putIndex] = x;
    // 如果putIndex等于items.length，那么将putIndex重新设置为0
    if (++putIndex == items.length)
      putIndex = 0;
    // 队列数量加一
    count++;
    // 因为插入一个元素，那么当前队列肯定不为空，那么唤醒在notEmpty条件下等待的一个线程
    notEmpty.signal();
  }

  // 删除队列头的元素，返回它
  private E dequeue() {
    // assert lock.getHoldCount() == 1;
    // assert items[takeIndex] != null;

    final Object[] items = this.items;
    // 得到当前队列头的元素
    @SuppressWarnings("unchecked")
    E x = (E) items[takeIndex];
    // 将当前队列头位置设置为null
    items[takeIndex] = null;
    if (++takeIndex == items.length)
      takeIndex = 0;
    // 队列数量减一
    count--;
    if (itrs != null)
      itrs.elementDequeued();
    // 因为删除了一个元素，那么队列肯定不满了，那么唤醒在notFull条件下等待的一个线程
    notFull.signal();
    return x;
  }

这两个方法分别代表，向队列中插入元素和从队列中删除元素。而且它们要唤醒等待的线程。当插入元素后，那么队列一定不为空，那么就要唤醒在notEmpty条件下等待的线程。当删除元素后，那么队列一定不满，那么就要唤醒在notFull条件下等待的线程。

6.2 remove(Object o)方法

  // 删除队列中对象o元素，最多删除一条
  public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) return false;
    final Object[] items = this.items;
    // 使用lock来保证，多线程修改成员属性的安全
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
      // 当队列中有值的时候，才进行删除。
      if (count > 0) {
        // 队列尾下一个位置
        final int putIndex = this.putIndex;
        // 队列头的位置
        int i = takeIndex;
        do {
          // 当前位置元素与被删除元素相同
          if (o.equals(items[i])) {
            // 删除i位置元素
            removeAt(i);
            // 返回true
            return true;
          }
          if (++i == items.length)
            i = 0;
          // 当i==putIndex表示遍历完所有元素
        } while (i != putIndex);
      }
      return false;
    } finally {
      lock.unlock();
    }
  }

从队列中删除指定对象o，那么就要遍历队列，删除第一个与对象o相同的元素，如果队列中没有对象o元素，那么返回false删除失败。

这里有两点需要注意：

如何遍历队列，就是从队列头遍历到队列尾。就要靠takeIndex和putIndex两个变量了。

为什么Object[] items = this.items;这句代码没有放到同步锁lock代码块内。items是成员变量，那么多线程操作的时候，不会有并发问题么？

这个是因为items是个引用变量，不是基本数据类型，而且我们对队列的插入和删除操作，都是针对这一个items数组，没有改变数组的引用，所以在lock代码中，items会得到其他线程对它最新的修改。但是如果这里将int putIndex = this.putIndex;方法lock代码块外面，就会产生问题。

removeAt(final int removeIndex)方法

  // 删除队列removeIndex位置的元素
  void removeAt(final int removeIndex) {
    // assert lock.getHoldCount() == 1;
    // assert items[removeIndex] != null;
    // assert removeIndex >= 0 && removeIndex < items.length;
    final Object[] items = this.items;
    // 表示删除元素是列表头，就容易多了，与dequeue方法流程差不多
    if (removeIndex == takeIndex) {
      // 移除removeIndex位置元素
      items[takeIndex] = null;
      // 到了数组末尾，就要转到数组头位置
      if (++takeIndex == items.length)
        takeIndex = 0;
      // 队列数量减一
      count--;
      if (itrs != null)
        itrs.elementDequeued();
    } else {
      // an "interior" remove

      final int putIndex = this.putIndex;
      for (int i = removeIndex;;) {
        int next = i + 1;
        if (next == items.length)
          next = 0;
        // 还没有到队列尾，那么就将后一个位置元素覆盖前一个位置的元素
        if (next != putIndex) {
          items[i] = items[next];
          i = next;
        } else {
          // 将队列尾元素置位null
          items[i] = null;
          // 重新设置putIndex的值
          this.putIndex = i;
          break;
        }
      }
      // 队列数量减一
      count--;
      if (itrs != null)
        itrs.removedAt(removeIndex);
    }
    // 因为删除了一个元素，那么队列肯定不满了，那么唤醒在notFull条件下等待的一个线程
    notFull.signal();
  }

在队列中删除指定位置的元素。需要注意的是删除之后的数组还能保持队列形式，分为两种情况：

1. 如果删除位置是队列头，那么简单，只需要将队列头的位置元素设置为null，将将队列头位置加一。
2. 如果删除位置不是队列头，那么麻烦了，这个时候，我们就要将从removeIndex位置后的元素全部左移一位，覆盖前一个元素。最后将原来队列尾的元素置位null。

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