Java多线程进阶（三三）—— J.U.C之collections框架：LinkedBlocking

摘要：在章节中，我们说过，维护了一把全局锁，无论是出队还是入队，都共用这把锁，这就导致任一时间点只有一个线程能够执行。入队锁对应的是条件队列，出队锁对应的是条件队列，所以每入队一个元素，应当立即去唤醒可能阻塞的其它入队线程。

本文首发于一世流云专栏：https://segmentfault.com/blog...

LinkedBlockingQueue是在JDK1.5时，随着J.U.C包引入的一种阻塞队列，它实现了BlockingQueue接口，底层基于单链表实现：

LinkedBlockingQueue是一种近似有界阻塞队列，为什么说近似？因为LinkedBlockingQueue既可以在初始构造时就指定队列的容量，也可以不指定，如果不指定，那么它的容量大小默认为Integer.MAX_VALUE。

LinkedBlockingQueue除了底层数据结构（单链表）与ArrayBlockingQueue不同外，另外一个特点就是：
它维护了两把锁——takeLock和putLock。
takeLock用于控制出队的并发，putLock用于入队的并发。这也就意味着，同一时刻，只能只有一个线程能执行入队/出队操作，其余入队/出队线程会被阻塞；但是，入队和出队之间可以并发执行，即同一时刻，可以同时有一个线程进行入队，另一个线程进行出队，这样就可以提升吞吐量。

在ArrayBlockingQueue章节中，我们说过，ArrayBlockingQueue维护了一把全局锁，无论是出队还是入队，都共用这把锁，这就导致任一时间点只有一个线程能够执行。那么对于“生产者-消费者”模式来说，意味着生产者和消费者不能并发执行。

LinkedBlockingQueue提供了三种构造器：

/**
 * 默认构造器.
 * 队列容量为Integer.MAX_VALUE.
 */
public LinkedBlockingQueue() {
    this(Integer.MAX_VALUE);
}

/**
 * 显示指定队列容量的构造器
 */
public LinkedBlockingQueue(int capacity) {
    if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
    this.capacity = capacity;
    last = head = new Node(null);
}

/**
 * 从已有集合构造队列.
 * 队列容量为Integer.MAX_VALUE
 */
public LinkedBlockingQueue(Collection c) {
    this(Integer.MAX_VALUE);
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    putLock.lock();                     // 这里加锁仅仅是为了保证可见性
    try {
        int n = 0;
        for (E e : c) {
            if (e == null)              // 队列不能包含null元素
                throw new NullPointerException();
            if (n == capacity)          // 队列已满
                throw new IllegalStateException("Queue full");
            enqueue(new Node(e));    // 队尾插入元素
            ++n;
        }
        count.set(n);                   // 设置元素个数
    } finally {
        putLock.unlock();
    }
}

可以看到，如果不指定容量，那么它的容量大小默认为Integer.MAX_VALUE。另外，LinkedBlockingQueue使用了一个原子变量AtomicInteger记录队列中元素的个数，以保证入队/出队并发修改元素时的数据一致性。

public class LinkedBlockingQueue extends AbstractQueue
    implements BlockingQueue, java.io.Serializable {

    /**
     * 队列容量.
     * 如果不指定, 则为Integer.MAX_VALUE
     */
    private final int capacity;

    /**
     * 队列中的元素个数
     */
    private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();

    /**
     * 队首指针.
     * head.item == null
     */
    transient Node head;

    /**
     * 队尾指针.
     * last.next == null
     */
    private transient Node last;

    /**
     * 出队锁
     */
    private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();

    /**
     * 队列空时，出队线程在该条件队列等待
     */
    private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();

    /**
     * 入队锁
     */
    private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();

    /**
     * 队列满时，入队线程在该条件队列等待
     */
    private final Condition notFull = putLock.newCondition();

    /**
     * 链表结点定义
     */
    static class Node {
        E item;

        Node next;   // 后驱指针

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

    //...
}

构造完成后，LinkedBlockingQueue的初始结构如下：

插入部分元素后的LinkedBlockingQueue结构：

由于接口和ArrayBlockingQueue完全一样，所以LinkedBlockingQueue会阻塞线程的方法也一共有4个：put(E e)、offer(e, time, unit)和take()、poll(time, unit)，我们先来看插入元素的方法。

插入元素——put(E e)

/**
 * 在队尾插入指定的元素.
 * 如果队列已满，则阻塞线程.
 */
public void put(E e) throws InterruptedException {
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    int c = -1;
    Node node = new Node(e);
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    final AtomicInteger count = this.count;
    putLock.lockInterruptibly();            // 获取“入队锁”
    try {
        while (count.get() == capacity) {   // 队列已满, 则线程在notFull上等待
            notFull.await();
        }
        enqueue(node);                      // 将新结点链接到“队尾”

        /**
         * c+1 表示的元素个数.
         * 如果，则唤醒一个“入队线程”
         */
        c = count.getAndIncrement();        // c表示入队前的队列元素个数
        if (c + 1 < capacity)               // 入队后队列未满, 则唤醒一个“入队线程”
            notFull.signal();
    } finally {
        putLock.unlock();
    }

    if (c == 0)                             // 队列初始为空, 则唤醒一个“出队线程”
        signalNotEmpty();
}

插入元素时，首先需要获得“入队锁”，如果队列满了，则当前线程需要在notFull条件队列等待；否则，将新元素链接到队列尾部。

这里需要注意的是两个地方：

①每入队一个元素后，如果队列还没满，则需要唤醒其它可能正在等待的“入队线程”：

/**
 * c+1 表示的元素个数.
 * 如果，则唤醒一个“入队线程”
 */
c = count.getAndIncrement();        // c表示入队前的队列元素个数
if (c + 1 < capacity)               // 入队后队列未满, 则唤醒一个“入队线程”
    notFull.signal();

② 每入队一个元素，都要判断下队列是否空了，如果空了，说明可能存在正在等待的“出队线程”，需要唤醒它：

if (c == 0)                             // 队列为空, 则唤醒一个“出队线程”
    signalNotEmpty();

这里为什么不像ArrayBlockingQueue那样，入队完成后，直接唤醒一个在notEmpty上等待的出队线程？

因为ArrayBlockingQueue中，入队/出队用的是同一把锁，两者不会并发执行，所以每入队一个元素（拿到锁），就可以通知可能正在等待的“出队线程”。（同一个锁的两个条件队列：notEmpty、notFull）

ArrayBlockingQueue中的enqueue方法：

private void enqueue(E x) {
    final Object[] items = this.items;
    items[putIndex] = x;
    if (++putIndex == items.length)     // 队列已满,则重置索引为0
        putIndex = 0;
    count++;                            // 元素个数+1
    notEmpty.signal();                  // 唤醒一个notEmpty上的等待线程(可以来队列取元素了)
}

而LinkedBlockingQueue中，入队/出队用的是两把锁，入队/出队是会并发执行的。入队锁对应的是notFull条件队列，出队锁对应的是notEmpty条件队列，所以每入队一个元素，应当立即去唤醒可能阻塞的其它入队线程。当队列为空时，说明后面再来“出队线程”，一定都会阻塞，所以此时可以去唤醒一个出队线程，以提升性能。

试想以下，如果去掉上面的①和②，当入队线程拿到“入队锁”，入队元素后，直接尝试唤醒出队线程，会要求去拿出队锁，这样持有锁A的同时，再去尝试获取锁B，很可能引起死锁，就算通过打破死锁的条件避免死锁，每次操作同时获取两把锁也会降低性能。

删除元素——table()

删除元素的逻辑和插入元素类似。删除元素时，首先需要获得“出队锁”，如果队列为空，则当前线程需要在notEmpty条件队列等待；否则，从队首出队一个元素：

/**
 * 从队首出队一个元素
 */
public E take() throws InterruptedException {
    E x;
    int c = -1;
    final AtomicInteger count = this.count;
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;   // 获取“出队锁”
    takeLock.lockInterruptibly();
    try {
        while (count.get() == 0) {                  // 队列为空, 则阻塞线程
            notEmpty.await();
        }
        x = dequeue();
        c = count.getAndDecrement();                // c表示出队前的元素个数
        if (c > 1)                                  // 出队前队列非空, 则唤醒一个出队线程
            notEmpty.signal();
    } finally {
        takeLock.unlock();
    }
    if (c == capacity)                              // 队列初始为满，则唤醒一个入队线程
        signalNotFull();
    return x;
}

/**
 * 队首出队一个元素.
 */
private E dequeue() {
    Node h = head;
    Node first = h.next;
    h.next = h;         // help GC
    head = first;
    E x = first.item;
    first.item = null;
    return x;
}

上面需要的注意点和插入元素一样：
①每出队一个元素前，如果队列非空，则需要唤醒其它可能正在等待的“出队线程”：

c = count.getAndDecrement();                // c表示出队前的元素个数
if (c > 1)                                  // 出队前队列非空, 则唤醒一个出队线程
    notEmpty.signal();

② 每入队一个元素，都要判断下队列是否满，如果是满的，说明可能存在正在等待的“入队线程”，需要唤醒它：

if (c == capacity)                              // 队列初始为满，则唤醒一个入队线程
    signalNotFull();

归纳一下，LinkedBlockingQueue和ArrayBlockingQueue比较主要有以下区别：

队列大小不同。ArrayBlockingQueue初始构造时必须指定大小，而LinkedBlockingQueue构造时既可以指定大小，也可以不指定（默认为Integer.MAX_VALUE，近似于无界）；

底层数据结构不同。ArrayBlockingQueue底层采用数组作为数据存储容器，而LinkedBlockingQueue底层采用单链表作为数据存储容器；

两者的加锁机制不同。ArrayBlockingQueue使用一把全局锁，即入队和出队使用同一个ReentrantLock锁；而LinkedBlockingQueue进行了锁分离，入队使用一个ReentrantLock锁（putLock），出队使用另一个ReentrantLock锁（takeLock）；

LinkedBlockingQueue不能指定公平/非公平策略（默认都是非公平），而ArrayBlockingQueue可以指定策略。