LinkedBlockingQueue方法怎么在Java中使用

本篇文章為大家展示了LinkedBlockingQueue方法怎么在Java中使用，內(nèi)容簡明扼要并且容易理解，絕對(duì)能使你眼前一亮，通過這篇文章的詳細(xì)介紹希望你能有所收獲。

一. 鏈表實(shí)現(xiàn)

1.1 Node內(nèi)部類

  /**
   * 鏈表的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)也是通過它來實(shí)現(xiàn)一個(gè)單向鏈表
   */
  static class Node<E> {
    E item;

    // 指向鏈表的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)
    Node<E> next;

    Node(E x) { item = x; }
  }

有一個(gè)變量e儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，有一個(gè)變量next指向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的引用。它可以實(shí)現(xiàn)最簡單地單向列表。

1.2 怎樣實(shí)現(xiàn)鏈表

   /**
   * 它的next指向隊(duì)列頭，這個(gè)節(jié)點(diǎn)不存儲(chǔ)數(shù)據(jù)
   */
  transient Node<E> head;

  /**
   * 隊(duì)列尾節(jié)點(diǎn)
   */
  private transient Node<E> last;

要實(shí)現(xiàn)鏈表，必須有兩個(gè)變量，一個(gè)表示鏈表頭head，一個(gè)表示鏈表尾last。head和last都會(huì)在LinkedBlockingQueue對(duì)象創(chuàng)建的時(shí)候被初始化。

last = head = new Node<E>(null);

注意這里用了一個(gè)小技巧，鏈表頭head節(jié)點(diǎn)并沒有存放數(shù)據(jù)，它指向的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，才真正存儲(chǔ)了鏈表中第一個(gè)數(shù)據(jù)。而鏈表尾last的確儲(chǔ)存了鏈表最后一個(gè)數(shù)據(jù)。

1.3 插入和刪除節(jié)點(diǎn)

 /**
   * 向隊(duì)列尾插入節(jié)點(diǎn)
   */
  private void enqueue(Node<E> node) {
    // assert putLock.isHeldByCurrentThread(); // 當(dāng)前線程肯定獲取了putLock鎖
    // 將原隊(duì)列尾節(jié)點(diǎn)的next引用指向新節(jié)點(diǎn)node，然后再將node節(jié)點(diǎn)設(shè)置成隊(duì)列尾節(jié)點(diǎn)last
    // 這樣就實(shí)現(xiàn)了向隊(duì)列尾插入節(jié)點(diǎn)
    last = last.next = node;
  }

在鏈表尾插入節(jié)點(diǎn)很簡單，將原隊(duì)列尾last的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)next指向新節(jié)點(diǎn)node，再將新節(jié)點(diǎn)node賦值給隊(duì)列尾last節(jié)點(diǎn)。這樣就實(shí)現(xiàn)了插入一個(gè)新節(jié)點(diǎn)。

  // 移除隊(duì)列頭節(jié)點(diǎn)，并返回被刪除的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)
  private E dequeue() {
    // assert takeLock.isHeldByCurrentThread(); // 當(dāng)前線程肯定獲取了takeLock鎖
    // assert head.item == null;

    Node<E> h = head;
    // first節(jié)點(diǎn)中才存儲(chǔ)了隊(duì)列中第一個(gè)元素的數(shù)據(jù)
    Node<E> first = h.next;
    h.next = h; // help GC
    // 設(shè)置新的head值，相當(dāng)于刪除了first節(jié)點(diǎn)。因?yàn)閔ead節(jié)點(diǎn)本身不儲(chǔ)存數(shù)據(jù)
    head = first;
    // 隊(duì)列頭的數(shù)據(jù)
    E x = first.item;
    // 移除原先的數(shù)據(jù)
    first.item = null;
    return x;
  }

要注意head并不是鏈表頭，它的next才是指向鏈表頭，所以刪除鏈表頭也很簡單，就是將head.next賦值給head，然后返回原先head.next節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

刪除的時(shí)候，就要注意鏈表為空的情況。head.next的值使用enqueue方法添加的。當(dāng)head.next==last的時(shí)候，表示已經(jīng)刪除到最后一個(gè)元素了，當(dāng)head.next==null的時(shí)候，就不能刪除了，因?yàn)殒湵硪呀?jīng)為空了。這里沒有做判斷，是因?yàn)樵谡{(diào)用dequeue方法的地方已經(jīng)做過判斷了。

二. 同步鎖ReentrantLock和條件Condition

因?yàn)樽枞?duì)列在隊(duì)列為空和隊(duì)列已滿的情況下，都必須阻塞等待，那么就天然需要兩個(gè)條件。而為了保證多線程并發(fā)安全，又需要一個(gè)同步鎖。這個(gè)在ArrayBlockingQueue中已經(jīng)說過了。

這里我們來說說LinkedBlockingQueue不一樣的地方。

  /** 獨(dú)占鎖，用于處理插入隊(duì)列操作的并發(fā)問題，即put與offer操作 */
  private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();

  /** 隊(duì)列不滿的條件Condition，它是由putLock鎖生成的 */
  private final Condition notFull = putLock.newCondition();

  /** 獨(dú)占鎖，用于處理刪除隊(duì)列頭操作的并發(fā)問題，即take與poll操作 */
  private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();

  /** 隊(duì)列不為空的條件Condition， 它使用takeLock鎖生成的 */
  private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();

2.1 putLock與takeLock

我們發(fā)現(xiàn)使用了兩把鎖：

1. putLock 同步所有插入元素的操作，即put與offer系列方法的操作。

2. takeLock 同步刪除和獲取元素的操作，即take與poll系列方法操作。

按照上面的說法，可能會(huì)出現(xiàn)同時(shí)插入元素和刪除元素的操作，那么就不會(huì)出現(xiàn)問題么？

我們來具體分析一個(gè)下，對(duì)于隊(duì)列來說操作分為三種：

1. 在隊(duì)列尾插入元素。即put與offer系列方法，它們會(huì)涉及兩個(gè)變量，隊(duì)列中元素個(gè)數(shù)count，和隊(duì)列尾節(jié)點(diǎn)last。(不會(huì)涉及head節(jié)點(diǎn))

2. 移除隊(duì)列頭元素。即take與poll系列方法，它們會(huì)涉及兩個(gè)變量，隊(duì)列中元素個(gè)數(shù)count，和head節(jié)點(diǎn)。(不會(huì)涉及隊(duì)列尾節(jié)點(diǎn)last)

3. 查看隊(duì)列頭元素。即 element()與peek()方法，它們會(huì)涉及兩個(gè)變量，隊(duì)列中元素個(gè)數(shù)count，和head節(jié)點(diǎn)。(不會(huì)涉及隊(duì)列尾節(jié)點(diǎn)last)

因此使用putLock鎖來保持last變量的安全，使用takeLock鎖來保持head變量的安全。

對(duì)于都涉及了隊(duì)列中元素個(gè)數(shù)count變量，所以使用AtomicInteger來保證并發(fā)安全問題。

  /** 隊(duì)列中元素的個(gè)數(shù)，這里使用AtomicInteger變量，保證并發(fā)安全問題 */
  private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();

2.2 notFull與notEmpty

1. notFull 是由putLock鎖生成的，因?yàn)楫?dāng)插入元素時(shí)，我們要判斷隊(duì)列是不是已滿。

2. notEmpty 是由takeLock鎖生成的，因?yàn)楫?dāng)刪除元素時(shí)，我們要判斷隊(duì)列是不是為空。

2.3 控制流程

當(dāng)插入元素時(shí)：

1. 先使用putLock.lockInterruptibly()保證只有一個(gè)線程進(jìn)行插入操作.

2. 然后利用count變量，判斷隊(duì)列是否已滿.

3. 滿了就調(diào)用notFull.await()方法，讓當(dāng)前線程等待。因?yàn)閚otFull是由putLock產(chǎn)生的，這里已經(jīng)獲取到鎖了，所以可以調(diào)用await方法。

4. 沒滿就調(diào)用 enqueue方法，向隊(duì)列尾插入新元素。

5. 調(diào)用count.getAndIncrement()方法，將隊(duì)列中元素個(gè)數(shù)加一，并保證多線程并發(fā)安全。

6. 調(diào)用signalNotEmpty方法，喚醒正在等待獲取元素的線程。

當(dāng)刪除元素時(shí)：

1. 先使用takeLock.lockInterruptibly()保證只有一個(gè)線程進(jìn)行刪除操作.

2. 然后利用count變量，判斷隊(duì)列是否為空.

3. 隊(duì)列為空就調(diào)用notEmpty.await()方法，讓當(dāng)前線程等待。因?yàn)閚otEmpty是由takeLock產(chǎn)生的，這里已經(jīng)獲取到鎖了，所以可以調(diào)用await方法。

4. 沒滿就調(diào)用 dequeue方法，刪除隊(duì)列頭元素。

5. 調(diào)用count.getAndDecrement()方法，將隊(duì)列中元素個(gè)數(shù)減一，并保證多線程并發(fā)安全。

6. 調(diào)用signalNotFull方法，喚醒正在等待插入元素的線程。

還要注意一下，Condition的signal和await方法必須在獲取鎖的情況下調(diào)用。因此就有了signalNotEmpty和signalNotFull方法：

  /**
   * 喚醒在notEmpty條件下等待的線程，即移除隊(duì)列頭時(shí)，發(fā)現(xiàn)隊(duì)列為空而被迫等待的線程。
   * 注意，因?yàn)橐{(diào)用Condition的signal方法，必須獲取對(duì)應(yīng)的鎖，所以這里調(diào)用了takeLock.lock()方法。
   * 當(dāng)隊(duì)列中插入元素(即put或offer操作)，那么隊(duì)列肯定不為空，就會(huì)調(diào)用這個(gè)方法。
   */
  private void signalNotEmpty() {
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    takeLock.lock();
    try {
      notEmpty.signal();
    } finally {
      takeLock.unlock();
    }
  }

  /**
   * 喚醒在notFull條件下等待的線程，即隊(duì)列尾添加元素時(shí)，發(fā)現(xiàn)隊(duì)列已滿而被迫等待的線程。
   * 注意，因?yàn)橐{(diào)用Condition的signal方法，必須獲取對(duì)應(yīng)的鎖，所以這里調(diào)用了putLock.lock()方法
   * 當(dāng)隊(duì)列中刪除元素(即take或poll操作)，那么隊(duì)列肯定不滿，就會(huì)調(diào)用這個(gè)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();
    // 記錄插入操作前元素的個(gè)數(shù)
    int c = -1;
    // 創(chuàng)建新節(jié)點(diǎn)node
    Node<E> node = new Node<E>(e);
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    final AtomicInteger count = this.count;
    putLock.lockInterruptibly();
    try {
      //表示隊(duì)列已滿，那么就要調(diào)用notFull.await方法，讓當(dāng)前線程等待
      while (count.get() == capacity) {
        notFull.await();
      }
      // 向隊(duì)列尾插入新元素
      enqueue(node);
      // 將當(dāng)前隊(duì)列元素個(gè)數(shù)加1，并返回加1之前的元素個(gè)數(shù)。
      c = count.getAndIncrement();
      // c + 1 < capacity表示隊(duì)列未滿，就喚醒可能等待插入操作的線程
      if (c + 1 < capacity)
        notFull.signal();
    } finally {
      putLock.unlock();
    }
    // c == 0表示插入之前，隊(duì)列是空的。隊(duì)列從空到放入一個(gè)元素時(shí)，
    // 才喚醒等待刪除的線程
    // 防止頻繁獲取takeLock鎖，消耗性能
    if (c == 0)
      signalNotEmpty();
  }

以put方法為例，大體流程與我們前面介紹一樣，這里有一個(gè)非常怪異的代碼，當(dāng)插入完元素時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)隊(duì)列未滿，那么調(diào)用notFull.signal()喚醒等待插入的線程。

大家就很疑惑了，一般來說，這個(gè)方法應(yīng)該放在刪除元素(take系列的方法里),因?yàn)楫?dāng)我們刪除一個(gè)元素，那么隊(duì)列肯定是未滿的，那么調(diào)用notFull.signal()方法，喚醒等待插入的線程。

這里這么做主要是因?yàn)檎{(diào)用signal方法，必須先獲取對(duì)應(yīng)的鎖，而在take系列的方法里使用的鎖是takeLock，那么想調(diào)用notFull.signal()方法，必須先獲取putLock鎖，這樣的話會(huì)性能就會(huì)下降，所以用了另一種方式。

1. 首先我們應(yīng)該知道signal方法，當(dāng)有線程在這個(gè)條件下等待時(shí)，才會(huì)喚醒其中一個(gè)線程，當(dāng)沒有線程等待時(shí)，這個(gè)方法相當(dāng)于什么都沒做。所以這個(gè)方法的意義是可能會(huì)喚醒等待的一個(gè)線程。

2. 當(dāng)隊(duì)列未滿時(shí)，我們都調(diào)用notFull.signal()嘗試去喚醒一個(gè)等待插入線程。而且這里已經(jīng)獲取putLock鎖了，所以不耗時(shí)。

3. 但是有一個(gè)問題，當(dāng)隊(duì)列已滿的時(shí)候，所有插入操作的線程，都會(huì)等待，就沒有機(jī)會(huì)調(diào)用notFull.signal()方法，那么喚醒這些等待線程呢？

4. 喚醒這些線程的啟動(dòng)條件，必須是由刪除元素操作觸發(fā)的，因?yàn)橹挥袆h除隊(duì)列才會(huì)不滿。因?yàn)樵趖ake方法中 if (c == capacity) signalNotFull();

四. 刪除隊(duì)列頭元素

  public E take() throws InterruptedException {
    E x;
    int c = -1;
    final AtomicInteger count = this.count;
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    takeLock.lockInterruptibly();
    try {
      //表示隊(duì)列為空，那么就要調(diào)用notEmpty.await方法，讓當(dāng)前線程等待
      while (count.get() == 0) {
        notEmpty.await();
      }
      // 刪除隊(duì)列頭元素，并返回它
      x = dequeue();
      // 返回當(dāng)前隊(duì)列個(gè)數(shù)，然后將隊(duì)列個(gè)數(shù)減一
      c = count.getAndDecrement();
      // c > 1表示隊(duì)列不為空，就喚醒可能等待刪除操作的線程
      if (c > 1)
        notEmpty.signal();
    } finally {
      takeLock.unlock();
    }
    /**
     * c == capacity表示刪除操作之前，隊(duì)列是滿的。只有從滿隊(duì)列中刪除一個(gè)元素時(shí)，
     * 才喚醒等待插入的線程
     * 防止頻繁獲取putLock鎖，消耗性能
     */
    if (c == capacity)
      signalNotFull();
    return x;
  }

為什么調(diào)用notEmpty.signal()方法原因，對(duì)比一下我們?cè)诓迦朐胤椒ㄖ械慕忉尅?/p>

五. 查看隊(duì)列頭元素

  // 查看隊(duì)列頭元素
  public E peek() {
    // 隊(duì)列為空，返回null
    if (count.get() == 0)
      return null;
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    takeLock.lock();
    try {
      // 獲取隊(duì)列頭節(jié)點(diǎn)first
      Node<E> first = head.next;
      // first == null表示隊(duì)列為空，返回null
      if (first == null)
        return null;
      else
        // 返回隊(duì)列頭元素
        return first.item;
    } finally {
      takeLock.unlock();
    }
  }

查看隊(duì)列頭元素，涉及到head節(jié)點(diǎn)，所以必須使用takeLock鎖。

六. 其他重要方法

6.1 remove(Object o)方法

  // 從隊(duì)列中刪除指定元素o
  public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) return false;
    // 因?yàn)椴皇莿h除列表頭元素，所以就涉及到head和last兩個(gè)變量，
    // putLock與takeLock都要加鎖
    fullyLock();
    try {
      // 遍歷整個(gè)隊(duì)列，p表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，trail表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的前一個(gè)節(jié)點(diǎn)
      // 因?yàn)槭菃蜗蜴湵?，所以需要記錄兩個(gè)節(jié)點(diǎn)
      for (Node<E> trail = head, p = trail.next;
         p != null;
         trail = p, p = p.next) {
        // 如果找到了指定元素，那么刪除節(jié)點(diǎn)p
        if (o.equals(p.item)) {
          unlink(p, trail);
          return true;
        }
      }
      return false;
    } finally {
      fullyUnlock();
    }
  }

從列表中刪除指定元素，因?yàn)閯h除的元素不一定在列表頭，所以可能會(huì)head和last兩個(gè)變量，所以必須同時(shí)使用putLock與takeLock兩把鎖。因?yàn)槭菃蜗蜴湵?，需要一個(gè)輔助變量trail來記錄前一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這樣才能刪除當(dāng)前節(jié)點(diǎn)p。

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

  // 刪除當(dāng)前節(jié)點(diǎn)p，trail代表p的前一個(gè)節(jié)點(diǎn)
  void unlink(Node<E> p, Node<E> trail) {
    // 將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)設(shè)置為null
    p.item = null;
    // 這樣就在鏈表中刪除了節(jié)點(diǎn)p
    trail.next = p.next;
    // 如果節(jié)點(diǎn)p是隊(duì)列尾last，而它被刪除了，那么就要將trail設(shè)置為last
    if (last == p)
      last = trail;
    // 將元素個(gè)數(shù)減一，如果原隊(duì)列是滿的，那么就調(diào)用notFull.signal()方法
    // 其實(shí)這個(gè)不用判斷直接調(diào)用的，因?yàn)檫@里肯定獲取了putLock鎖
    if (count.getAndDecrement() == capacity)
      notFull.signal();
  }

要在鏈表中刪除一個(gè)節(jié)點(diǎn)p，只需要將p的前一個(gè)節(jié)點(diǎn)trail的next指向節(jié)點(diǎn)p的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)next。

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