详细分析Java并发集合LinkedBlockingQueue的用法

在上一章我们讲解了ArrayBlockingQueue,用数组形式实现的阻塞队列。

数组的长度在创建时就必须确定，如果数组长度小了，那么ArrayBlockingQueue队列很容易就被阻塞，如果数组长度大了，就容易浪费内存。

而队列这个数据结构天然适合用链表这个形式，而LinkedBlockingQueue就是使用链表方式实现的阻塞队列。

一. 链表实现

1.1 Node内部类

  /**
   * 链表的节点，同时也是通过它来实现一个单向链表
   */
  static class Node<E> {
    E item;

    // 指向链表的下一个节点
    Node<E> next;

    Node(E x) { item = x; }
  }

有一个变量e储存数据，有一个变量next指向下一个节点的引用。它可以实现最简单地单向列表。

1.2 怎样实现链表

   /**
   * 它的next指向队列头，这个节点不存储数据
   */
  transient Node<E> head;

  /**
   * 队列尾节点
   */
  private transient Node<E> last;

要实现链表，必须有两个变量，一个表示链表头head，一个表示链表尾last。head和last都会在LinkedBlockingQueue对象创建的时候被初始化。

last = head = new Node<E>(null);

注意这里用了一个小技巧，链表头head节点并没有存放数据，它指向的下一个节点，才真正存储了链表中第一个数据。而链表尾last的确储存了链表最后一个数据。

1.3 插入和删除节点

 /**
   * 向队列尾插入节点
   */
  private void enqueue(Node<E> node) {
    // assert putLock.isHeldByCurrentThread(); // 当前线程肯定获取了putLock锁
    // 将原队列尾节点的next引用指向新节点node，然后再将node节点设置成队列尾节点last
    // 这样就实现了向队列尾插入节点
    last = last.next = node;
  }

在链表尾插入节点很简单，将原队列尾last的下一个节点next指向新节点node，再将新节点node赋值给队列尾last节点。这样就实现了插入一个新节点。

  // 移除队列头节点，并返回被删除的节点数据
  private E dequeue() {
    // assert takeLock.isHeldByCurrentThread(); // 当前线程肯定获取了takeLock锁
    // assert head.item == null;

    Node<E> h = head;
    // first节点中才存储了队列中第一个元素的数据
    Node<E> first = h.next;
    h.next = h; // help GC
    // 设置新的head值，相当于删除了first节点。因为head节点本身不储存数据
    head = first;
    // 队列头的数据
    E x = first.item;
    // 移除原先的数据
    first.item = null;
    return x;
  }

要注意head并不是链表头，它的next才是指向链表头，所以删除链表头也很简单，就是将head.next赋值给head，然后返回原先head.next节点的数据。

删除的时候，就要注意链表为空的情况。head.next的值使用enqueue方法添加的。当head.next==last的时候，表示已经删除到最后一个元素了，当head.next==null的时候，就不能删除了，因为链表已经为空了。这里没有做判断，是因为在调用dequeue方法的地方已经做过判断了。

二. 同步锁ReentrantLock和条件Condition

因为阻塞队列在队列为空和队列已满的情况下，都必须阻塞等待，那么就天然需要两个条件。而为了保证多线程并发安全，又需要一个同步锁。这个在ArrayBlockingQueue中已经说过了。

这里我们来说说LinkedBlockingQueue不一样的地方。

  /** 独占锁，用于处理插入队列操作的并发问题，即put与offer操作 */
  private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();

  /** 队列不满的条件Condition，它是由putLock锁生成的 */
  private final Condition notFull = putLock.newCondition();

  /** 独占锁，用于处理删除队列头操作的并发问题，即take与poll操作 */
  private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();

  /** 队列不为空的条件Condition， 它使用takeLock锁生成的 */
  private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();

2.1 putLock与takeLock

我们发现使用了两把锁：

1. putLock 同步所有插入元素的操作，即put与offer系列方法的操作。
2. takeLock 同步删除和获取元素的操作，即take与poll系列方法操作。

按照上面的说法，可能会出现同时插入元素和删除元素的操作，那么就不会出现问题么？

我们来具体分析一个下，对于队列来说操作分为三种：

1. 在队列尾插入元素。即put与offer系列方法，它们会涉及两个变量，队列中元素个数count，和队列尾节点last。(不会涉及head节点)
2. 移除队列头元素。即take与poll系列方法，它们会涉及两个变量，队列中元素个数count，和head节点。(不会涉及队列尾节点last)
3. 查看队列头元素。即 element()与peek()方法，它们会涉及两个变量，队列中元素个数count，和head节点。(不会涉及队列尾节点last)

因此使用putLock锁来保持last变量的安全，使用takeLock锁来保持head变量的安全。

对于都涉及了队列中元素个数count变量，所以使用AtomicInteger来保证并发安全问题。

  /** 队列中元素的个数，这里使用AtomicInteger变量，保证并发安全问题 */
  private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();

2.2 notFull与notEmpty

1. notFull 是由putLock锁生成的，因为当插入元素时，我们要判断队列是不是已满。
2. notEmpty 是由takeLock锁生成的，因为当删除元素时，我们要判断队列是不是为空。

2.3 控制流程

当插入元素时：

1. 先使用putLock.lockInterruptibly()保证只有一个线程进行插入操作.
2. 然后利用count变量，判断队列是否已满.
3. 满了就调用notFull.await()方法，让当前线程等待。因为notFull是由putLock产生的，这里已经获取到锁了，所以可以调用await方法。
4. 没满就调用 enqueue方法，向队列尾插入新元素。
5. 调用count.getAndIncrement()方法，将队列中元素个数加一，并保证多线程并发安全。
6. 调用signalNotEmpty方法，唤醒正在等待获取元素的线程。

当删除元素时：

1. 先使用takeLock.lockInterruptibly()保证只有一个线程进行删除操作.
2. 然后利用count变量，判断队列是否为空.
3. 队列为空就调用notEmpty.await()方法，让当前线程等待。因为notEmpty是由takeLock产生的，这里已经获取到锁了，所以可以调用await方法。
4. 没满就调用 dequeue方法，删除队列头元素。
5. 调用count.getAndDecrement()方法，将队列中元素个数减一，并保证多线程并发安全。
6. 调用signalNotFull方法，唤醒正在等待插入元素的线程。

还要注意一下，Condition的signal和await方法必须在获取锁的情况下调用。因此就有了signalNotEmpty和signalNotFull方法：

  /**
   * 唤醒在notEmpty条件下等待的线程，即移除队列头时，发现队列为空而被迫等待的线程。
   * 注意，因为要调用Condition的signal方法，必须获取对应的锁，所以这里调用了takeLock.lock()方法。
   * 当队列中插入元素(即put或offer操作)，那么队列肯定不为空，就会调用这个方法。
   */
  private void signalNotEmpty() {
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    takeLock.lock();
    try {
      notEmpty.signal();
    } finally {
      takeLock.unlock();
    }
  }

  /**
   * 唤醒在notFull条件下等待的线程，即队列尾添加元素时，发现队列已满而被迫等待的线程。
   * 注意，因为要调用Condition的signal方法，必须获取对应的锁，所以这里调用了putLock.lock()方法
   * 当队列中删除元素(即take或poll操作)，那么队列肯定不满，就会调用这个方法。
   */
  private void signalNotFull() {
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    putLock.lock();
    try {
      notFull.signal();
    } finally {
      putLock.unlock();
    }
  }

三. 插入元素方法

  public void put(E e) throws InterruptedException {
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    // 记录插入操作前元素的个数
    int c = -1;
    // 创建新节点node
    Node<E> node = new Node<E>(e);
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    final AtomicInteger count = this.count;
    putLock.lockInterruptibly();
    try {
      //表示队列已满，那么就要调用notFull.await方法，让当前线程等待
      while (count.get() == capacity) {
        notFull.await();
      }
      // 向队列尾插入新元素
      enqueue(node);
      // 将当前队列元素个数加1，并返回加1之前的元素个数。
      c = count.getAndIncrement();
      // c + 1 < capacity表示队列未满，就唤醒可能等待插入操作的线程
      if (c + 1 < capacity)
        notFull.signal();
    } finally {
      putLock.unlock();
    }
    // c == 0表示插入之前，队列是空的。队列从空到放入一个元素时，
    // 才唤醒等待删除的线程
    // 防止频繁获取takeLock锁，消耗性能
    if (c == 0)
      signalNotEmpty();
  }

以put方法为例，大体流程与我们前面介绍一样，这里有一个非常怪异的代码，当插入完元素时，如果发现队列未满，那么调用notFull.signal()唤醒等待插入的线程。

大家就很疑惑了，一般来说，这个方法应该放在删除元素(take系列的方法里),因为当我们删除一个元素，那么队列肯定是未满的，那么调用notFull.signal()方法，唤醒等待插入的线程。

这里这么做主要是因为调用signal方法，必须先获取对应的锁，而在take系列的方法里使用的锁是takeLock，那么想调用notFull.signal()方法，必须先获取putLock锁，这样的话会性能就会下降，所以用了另一种方式。

1. 首先我们应该知道signal方法，当有线程在这个条件下等待时，才会唤醒其中一个线程，当没有线程等待时，这个方法相当于什么都没做。所以这个方法的意义是可能会唤醒等待的一个线程。
2. 当队列未满时，我们都调用notFull.signal()尝试去唤醒一个等待插入线程。而且这里已经获取putLock锁了，所以不耗时。
3. 但是有一个问题，当队列已满的时候，所有插入操作的线程，都会等待，就没有机会调用notFull.signal()方法，那么唤醒这些等待线程呢？
4. 唤醒这些线程的启动条件，必须是由删除元素操作触发的，因为只有删除队列才会不满。因为在take方法中 if (c == capacity) signalNotFull();

四. 删除队列头元素

  public E take() throws InterruptedException {
    E x;
    int c = -1;
    final AtomicInteger count = this.count;
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    takeLock.lockInterruptibly();
    try {
      //表示队列为空，那么就要调用notEmpty.await方法，让当前线程等待
      while (count.get() == 0) {
        notEmpty.await();
      }
      // 删除队列头元素，并返回它
      x = dequeue();
      // 返回当前队列个数，然后将队列个数减一
      c = count.getAndDecrement();
      // c > 1表示队列不为空，就唤醒可能等待删除操作的线程
      if (c > 1)
        notEmpty.signal();
    } finally {
      takeLock.unlock();
    }
    /**
     * c == capacity表示删除操作之前，队列是满的。只有从满队列中删除一个元素时，
     * 才唤醒等待插入的线程
     * 防止频繁获取putLock锁，消耗性能
     */
    if (c == capacity)
      signalNotFull();
    return x;
  }

为什么调用notEmpty.signal()方法原因，对比一下我们在插入元素方法中的解释。

五. 查看队列头元素

  // 查看队列头元素
  public E peek() {
    // 队列为空，返回null
    if (count.get() == 0)
      return null;
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    takeLock.lock();
    try {
      // 获取队列头节点first
      Node<E> first = head.next;
      // first == null表示队列为空，返回null
      if (first == null)
        return null;
      else
        // 返回队列头元素
        return first.item;
    } finally {
      takeLock.unlock();
    }
  }

查看队列头元素，涉及到head节点，所以必须使用takeLock锁。

六. 其他重要方法

6.1 remove(Object o)方法

  // 从队列中删除指定元素o
  public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) return false;
    // 因为不是删除列表头元素，所以就涉及到head和last两个变量，
    // putLock与takeLock都要加锁
    fullyLock();
    try {
      // 遍历整个队列，p表示当前节点，trail表示当前节点的前一个节点
      // 因为是单向链表，所以需要记录两个节点
      for (Node<E> trail = head, p = trail.next;
         p != null;
         trail = p, p = p.next) {
        // 如果找到了指定元素，那么删除节点p
        if (o.equals(p.item)) {
          unlink(p, trail);
          return true;
        }
      }
      return false;
    } finally {
      fullyUnlock();
    }
  }

从列表中删除指定元素，因为删除的元素不一定在列表头，所以可能会head和last两个变量，所以必须同时使用putLock与takeLock两把锁。因为是单向链表，需要一个辅助变量trail来记录前一个节点，这样才能删除当前节点p。

6.2 unlink(Node<E> p, Node<E> trail) 方法

  // 删除当前节点p，trail代表p的前一个节点
  void unlink(Node<E> p, Node<E> trail) {
    // 将当前节点的数据设置为null
    p.item = null;
    // 这样就在链表中删除了节点p
    trail.next = p.next;
    // 如果节点p是队列尾last，而它被删除了，那么就要将trail设置为last
    if (last == p)
      last = trail;
    // 将元素个数减一，如果原队列是满的，那么就调用notFull.signal()方法
    // 其实这个不用判断直接调用的，因为这里肯定获取了putLock锁
    if (count.getAndDecrement() == capacity)
      notFull.signal();
  }

要在链表中删除一个节点p，只需要将p的前一个节点trail的next指向节点p的下一个节点next。

以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持小牛知识库。