ArrayBlockingQueue介绍
ArrayBlockingQueue是数组实现的线程安全的有界的阻塞队列。
线程安全是指，ArrayBlockingQueue内部通过“互斥锁”保护竞争资源，实现了多线程对竞争资源的互斥访问。而有界，则是指ArrayBlockingQueue对应的数组是有界限的。 阻塞队列，是指多线程访问竞争资源时，当竞争资源已被某线程获取时，其它要获取该资源的线程需要阻塞等待；而且，ArrayBlockingQueue是按 FIFO（先进先出）原则对元素进行排序，元素都是从尾部插入到队列，从头部开始返回。
注意:ArrayBlockingQueue不同于ConcurrentLinkedQueue，ArrayBlockingQueue是数组实现的，并且是有界限的;而ConcurrentLinkedQueue是链表实现的，是无界限的.
ArrayBlockingQueue原理和数据结构
ArrayBlockingQueue的数据结构，如下图所示：.resources/0BA99FFA-FAC7-470F-AB00-4523EDCCFF80.jpg)
说明：
- ArrayBlockingQueue继承于AbstractQueue，并且它实现了BlockingQueue接口。
- ArrayBlockingQueue内部是通过Object[]数组保存数据的，也就是说ArrayBlockingQueue本质上是通过数组实现的。ArrayBlockingQueue的大小，即数组的容量是创建ArrayBlockingQueue时指定的。
- ArrayBlockingQueue与ReentrantLock是组合关系，ArrayBlockingQueue中包含一个ReentrantLock对象(lock)。ReentrantLock是可重入的互斥锁，ArrayBlockingQueue就是根据该互斥锁实现“多线程对竞争资源的互斥访问”。而且，ReentrantLock分为公平锁和非公平锁，关于具体使用公平锁还是非公平锁，在创建ArrayBlockingQueue时可以指定；而且，ArrayBlockingQueue默认会使用非公平锁。
- ArrayBlockingQueue与Condition是组合关系，ArrayBlockingQueue中包含两个Condition对象(notEmpty和notFull)。而且，Condition又依赖于ArrayBlockingQueue而存在，通过Condition可以实现对ArrayBlockingQueue的更精确的访问 – (01)若某线程(线程A)要取数据时，数组正好为空，则该线程会执行notEmpty.await()进行等待；当其它某个线程(线程B)向数组中插入了数据之后，会调用notEmpty.signal()唤醒“notEmpty上的等待线程”。此时，线程A会被唤醒从而得以继续运行。(02)若某线程(线程H)要插入数据时，数组已满，则该线程会它执行notFull.await()进行等待；当其它某个线程(线程I)取出数据之后，会调用notFull.signal()唤醒“notFull上的等待线程”。此时，线程H就会被唤醒从而得以继续运行。
ArrayBlockingQueue函数列表
1 | // 创建一个带有给定的（固定）容量和默认访问策略的 ArrayBlockingQueue。 |
ArrayBlockingQueue源码分析
下面从ArrayBlockingQueue的创建，添加，取出，遍历这几个方面对ArrayBlockingQueue进行分析。
1. 创建
下面以ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair)来进行说明。1
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8public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
if (capacity <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
this.items = new Object[capacity];
lock = new ReentrantLock(fair);
notEmpty = lock.newCondition();
notFull = lock.newCondition();
}
说明：
(01) items是保存“阻塞队列”数据的数组。它的定义如下：1
final Object[] items;
(02) fair是“可重入的独占锁(ReentrantLock)”的类型。fair为true，表示是公平锁；fair为false，表示是非公平锁。
notEmpty和notFull是锁的两个Condition条件。它们的定义如下：1
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3final ReentrantLock lock;
private final Condition notEmpty;
private final Condition notFull;
Lock的作用是提供独占锁机制，来保护竞争资源；而Condition是为了更加精细的对锁进行控制，它依赖于Lock，通过某个条件对多线程进行控制。
notEmpty表示“锁的非空条件”。当某线程想从队列中取数据时，而此时又没有数据，则该线程通过notEmpty.await()进行等待；当其它线程向队列中插入了元素之后，就调用notEmpty.signal()唤醒“之前通过notEmpty.await()进入等待状态的线程”。
同理，notFull表示“锁的满条件”。当某线程想向队列中插入元素，而此时队列已满时，该线程等待；当其它线程从队列中取出元素之后，就唤醒该等待的线程。
2. 添加
下面以offer(E e)为例，对ArrayBlockingQueue的添加方法进行说明。1
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20public boolean offer(E e) {
// 创建插入的元素是否为null，是的话抛出NullPointerException异常
checkNotNull(e);
// 获取“该阻塞队列的独占锁”
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
// 如果队列已满，则返回false。
if (count == items.length)
return false;
else {
// 如果队列未满，则插入e，并返回true。
insert(e);
return true;
}
} finally {
// 释放锁
lock.unlock();
}
}
说明：offer(E e)的作用是将e插入阻塞队列的尾部。如果队列已满，则返回false，表示插入失败；否则，插入元素，并返回true。(01) count表示”队列中的元素个数“。除此之外，队列中还有另外两个遍历takeIndex和putIndex。takeIndex表示下一个被取出元素的索引，putIndex表示下一个被添加元素的索引。它们的定义如下：1
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6// 队列中的元素个数
int takeIndex;
// 下一个被取出元素的索引
int putIndex;
// 下一个被添加元素的索引
int count;
(02) insert()的源码如下：1
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10private void insert(E x) {
// 将x添加到”队列“中
items[putIndex] = x;
// 设置”下一个被取出元素的索引“
putIndex = inc(putIndex);
// 将”队列中的元素个数”+1
++count;
// 唤醒notEmpty上的等待线程
notEmpty.signal();
}
insert()在插入元素之后，会唤醒notEmpty上面的等待线程。inc()的源码如下：1
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3final int inc(int i) {
return (++i == items.length) ? 0 : i;
}
若i+1的值等于“队列的长度”，即添加元素之后，队列满；则设置“下一个被添加元素的索引”为0。
3. 取出
下面以take()为例，对ArrayBlockingQueue的取出方法进行说明。1
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16public E take() throws InterruptedException {
// 获取“队列的独占锁”
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 获取“锁”，若当前线程是中断状态，则抛出InterruptedException异常
lock.lockInterruptibly();
try {
// 若“队列为空”，则一直等待。
while (count == 0)
notEmpty.await();
// 取出元素
return extract();
} finally {
// 释放“锁”
lock.unlock();
}
}
说明：take()的作用是取出并返回队列的头。若队列为空，则一直等待。
extract()的源码如下：1
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14private E extract() {
final Object[] items = this.items;
// 强制将元素转换为“泛型E”
E x = this.<E>cast(items[takeIndex]);
// 将第takeIndex元素设为null，即删除。同时，帮助GC回收。
items[takeIndex] = null;
// 设置“下一个被取出元素的索引”
takeIndex = inc(takeIndex);
// 将“队列中元素数量”-1
--count;
// 唤醒notFull上的等待线程。
notFull.signal();
return x;
}
说明：extract()在删除元素之后，会唤醒notFull上的等待线程。
4. 遍历
下面对ArrayBlockingQueue的遍历方法进行说明。1
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3public Iterator<E> iterator() {
return new Itr();
}
Itr是实现了Iterator接口的类，它的源码如下：1
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78private class Itr implements Iterator<E> {
// 队列中剩余元素的个数
private int remaining; // Number of elements yet to be returned
// 下一次调用next()返回的元素的索引
private int nextIndex; // Index of element to be returned by next
// 下一次调用next()返回的元素
private E nextItem; // Element to be returned by next call to next
// 上一次调用next()返回的元素
private E lastItem; // Element returned by last call to next
// 上一次调用next()返回的元素的索引
private int lastRet; // Index of last element returned, or -1 if none
Itr() {
// 获取“阻塞队列”的锁
final ReentrantLock lock = ArrayBlockingQueue.this.lock;
lock.lock();
try {
lastRet = -1;
if ((remaining = count) > 0)
nextItem = itemAt(nextIndex = takeIndex);
} finally {
// 释放“锁”
lock.unlock();
}
}
public boolean hasNext() {
return remaining > 0;
}
public E next() {
// 获取“阻塞队列”的锁
final ReentrantLock lock = ArrayBlockingQueue.this.lock;
lock.lock();
try {
// 若“剩余元素<=0”，则抛出异常。
if (remaining <= 0)
throw new NoSuchElementException();
lastRet = nextIndex;
// 获取第nextIndex位置的元素
E x = itemAt(nextIndex); // check for fresher value
if (x == null) {
x = nextItem; // we are forced to report old value
lastItem = null; // but ensure remove fails
}
else
lastItem = x;
while (--remaining > 0 && // skip over nulls
(nextItem = itemAt(nextIndex = inc(nextIndex))) == null)
;
return x;
} finally {
lock.unlock();
}
}
public void remove() {
final ReentrantLock lock = ArrayBlockingQueue.this.lock;
lock.lock();
try {
int i = lastRet;
if (i == -1)
throw new IllegalStateException();
lastRet = -1;
E x = lastItem;
lastItem = null;
// only remove if item still at index
if (x != null && x == items[i]) {
boolean removingHead = (i == takeIndex);
removeAt(i);
if (!removingHead)
nextIndex = dec(nextIndex);
}
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
ArrayBlockingQueue示例
1 | import java.util.*; |
其中一次运行结果：1
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ta3, ta1, tb3, tb1, ta4, ta2, tb4, tb2, ta5, ta3, tb5,
tb3, ta1, ta4, tb1, tb4, ta2, ta5, tb2, tb5, ta3, ta6,
tb3, ta4, tb4, ta5, tb5, ta6, tb6,
结果说明：如果将源码中的queue改成LinkedList对象时，程序会产生ConcurrentModificationException异常。
