Java多线程系列--“JUC集合”08之 LinkedBlockingQueue
来源:互联网 发布:linux vi如何保存退出 编辑:程序博客网 时间:2024/05/16 04:32
概要
本章介绍JUC包中的LinkedBlockingQueue。内容包括:
LinkedBlockingQueue介绍
LinkedBlockingQueue原理和数据结构
LinkedBlockingQueue函数列表
LinkedBlockingQueue源码分析(JDK1.7.0_40版本)
LinkedBlockingQueue示例
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LinkedBlockingQueue介绍
LinkedBlockingQueue是一个单向链表实现的阻塞队列。该队列按 FIFO(先进先出)排序元素,新元素插入到队列的尾部,并且队列获取操作会获得位于队列头部的元素。链接队列的吞吐量通常要高于基于数组的队列,但是在大多数并发应用程序中,其可预知的性能要低。
此外,LinkedBlockingQueue还是可选容量的(防止过度膨胀),即可以指定队列的容量。如果不指定,默认容量大小等于Integer.MAX_VALUE。
LinkedBlockingQueue原理和数据结构
LinkedBlockingQueue的数据结构,如下图所示:
说明:
1. LinkedBlockingQueue继承于AbstractQueue,它本质上是一个FIFO(先进先出)的队列。
2. LinkedBlockingQueue实现了BlockingQueue接口,它支持多线程并发。当多线程竞争同一个资源时,某线程获取到该资源之后,其它线程需要阻塞等待。
3. LinkedBlockingQueue是通过单链表实现的。
(01) head是链表的表头。取出数据时,都是从表头head处插入。
(02) last是链表的表尾。新增数据时,都是从表尾last处插入。
(03) count是链表的实际大小,即当前链表中包含的节点个数。
(04) capacity是列表的容量,它是在创建链表时指定的。
(05) putLock是插入锁,takeLock是取出锁;notEmpty是“非空条件”,notFull是“未满条件”。通过它们对链表进行并发控制。
LinkedBlockingQueue在实现“多线程对竞争资源的互斥访问”时,对于“插入”和“取出(删除)”操作分别使用了不同的锁。对于插入操作,通过“插入锁putLock”进行同步;对于取出操作,通过“取出锁takeLock”进行同步。
此外,插入锁putLock和“非满条件notFull”相关联,取出锁takeLock和“非空条件notEmpty”相关联。通过notFull和notEmpty更细腻的控制锁。
-- 若某线程(线程A)要取出数据时,队列正好为空,则该线程会执行notEmpty.await()进行等待;当其它某个线程(线程B)向队列中插入了数据之后,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。 此外,线程A在执行取操作前,会获取takeLock,在取操作执行完毕再释放takeLock。 -- 若某线程(线程H)要插入数据时,队列已满,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。 此外,线程H在执行插入操作前,会获取putLock,在插入操作执行完毕才释放putLock。
关于ReentrantLock 和 Condition等更多的内容,可以参考:
(01) Java多线程系列--“JUC锁”02之 互斥锁ReentrantLock
(02) Java多线程系列--“JUC锁”03之 公平锁(一)
(03) Java多线程系列--“JUC锁”04之 公平锁(二)
(04) Java多线程系列--“JUC锁”05之 非公平锁
(05) Java多线程系列--“JUC锁”06之 Condition条件
LinkedBlockingQueue函数列表
// 创建一个容量为 Integer.MAX_VALUE 的 LinkedBlockingQueue。LinkedBlockingQueue()// 创建一个容量是 Integer.MAX_VALUE 的 LinkedBlockingQueue,最初包含给定 collection 的元素,元素按该 collection 迭代器的遍历顺序添加。LinkedBlockingQueue(Collection<? extends E> c)// 创建一个具有给定(固定)容量的 LinkedBlockingQueue。LinkedBlockingQueue(int capacity)// 从队列彻底移除所有元素。void clear()// 移除此队列中所有可用的元素,并将它们添加到给定 collection 中。int drainTo(Collection<? super E> c)// 最多从此队列中移除给定数量的可用元素,并将这些元素添加到给定 collection 中。int drainTo(Collection<? super E> c, int maxElements)// 返回在队列中的元素上按适当顺序进行迭代的迭代器。Iterator<E> iterator()// 将指定元素插入到此队列的尾部(如果立即可行且不会超出此队列的容量),在成功时返回 true,如果此队列已满,则返回 false。boolean offer(E e)// 将指定元素插入到此队列的尾部,如有必要,则等待指定的时间以使空间变得可用。boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)// 获取但不移除此队列的头;如果此队列为空,则返回 null。E peek()// 获取并移除此队列的头,如果此队列为空,则返回 null。E poll()// 获取并移除此队列的头部,在指定的等待时间前等待可用的元素(如果有必要)。E poll(long timeout, TimeUnit unit)// 将指定元素插入到此队列的尾部,如有必要,则等待空间变得可用。void put(E e)// 返回理想情况下(没有内存和资源约束)此队列可接受并且不会被阻塞的附加元素数量。int remainingCapacity()// 从此队列移除指定元素的单个实例(如果存在)。boolean remove(Object o)// 返回队列中的元素个数。int size()// 获取并移除此队列的头部,在元素变得可用之前一直等待(如果有必要)。E take()// 返回按适当顺序包含此队列中所有元素的数组。Object[] toArray()// 返回按适当顺序包含此队列中所有元素的数组;返回数组的运行时类型是指定数组的运行时类型。<T> T[] toArray(T[] a)// 返回此 collection 的字符串表示形式。String toString()
LinkedBlockingQueue源码分析(JDK1.7.0_40版本)
LinkedBlockingQueue.java的完整源码如下:
下面从LinkedBlockingQueue的创建,添加,删除,遍历这几个方面对它进行分析。
1. 创建
下面以LinkedBlockingQueue(int capacity)来进行说明。
public LinkedBlockingQueue(int capacity) { if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException(); this.capacity = capacity; last = head = new Node<E>(null);}
说明:
(01) capacity是“链式阻塞队列”的容量。
(02) head和last是“链式阻塞队列”的首节点和尾节点。它们在LinkedBlockingQueue中的声明如下:
// 容量private final int capacity;// 当前数量private final AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);private transient Node<E> head; // 链表的表头private transient Node<E> last; // 链表的表尾// 用于控制“删除元素”的互斥锁takeLock 和 锁对应的“非空条件”notEmptyprivate final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();// 用于控制“添加元素”的互斥锁putLock 和 锁对应的“非满条件”notFullprivate final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();private final Condition notFull = putLock.newCondition();
链表的节点定义如下:
static class Node<E> { E item; // 数据 Node<E> next; // 下一个节点的指针 Node(E x) { item = x; }}
2. 添加
下面以offer(E e)为例,对LinkedBlockingQueue的添加方法进行说明。
public boolean offer(E e) { if (e == null) throw new NullPointerException(); // 如果“队列已满”,则返回false,表示插入失败。 final AtomicInteger count = this.count; if (count.get() == capacity) return false; int c = -1; // 新建“节点e” Node<E> node = new Node(e); final ReentrantLock putLock = this.putLock; // 获取“插入锁putLock” putLock.lock(); try { // 再次对“队列是不是满”的进行判断。 // 若“队列未满”,则插入节点。 if (count.get() < capacity) { // 插入节点 enqueue(node); // 将“当前节点数量”+1,并返回“原始的数量” c = count.getAndIncrement(); // 如果在插入元素之后,队列仍然未满,则唤醒notFull上的等待线程。 if (c + 1 < capacity) notFull.signal(); } } finally { // 释放“插入锁putLock” putLock.unlock(); } // 如果在插入节点前,队列为空;则插入节点后,唤醒notEmpty上的等待线程 if (c == 0) signalNotEmpty(); return c >= 0;}
说明:offer()的作用很简单,就是将元素E添加到队列的末尾。
enqueue()的源码如下:
private void enqueue(Node<E> node) { // assert putLock.isHeldByCurrentThread(); // assert last.next == null; last = last.next = node;}
enqueue()的作用是将node添加到队列末尾,并设置node为新的尾节点!
signalNotEmpty()的源码如下:
private void signalNotEmpty() { final ReentrantLock takeLock = this.takeLock; takeLock.lock(); try { notEmpty.signal(); } finally { takeLock.unlock(); }}
signalNotEmpty()的作用是唤醒notEmpty上的等待线程。
3. 取出
下面以take()为例,对LinkedBlockingQueue的取出方法进行说明。
public E take() throws InterruptedException { E x; int c = -1; final AtomicInteger count = this.count; final ReentrantLock takeLock = this.takeLock; // 获取“取出锁”,若当前线程是中断状态,则抛出InterruptedException异常 takeLock.lockInterruptibly(); try { // 若“队列为空”,则一直等待。 while (count.get() == 0) { notEmpty.await(); } // 取出元素 x = dequeue(); // 取出元素之后,将“节点数量”-1;并返回“原始的节点数量”。 c = count.getAndDecrement(); if (c > 1) notEmpty.signal(); } finally { // 释放“取出锁” takeLock.unlock(); } // 如果在“取出元素之前”,队列是满的;则在取出元素之后,唤醒notFull上的等待线程。 if (c == capacity) signalNotFull(); return x;}
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。
dequeue()的源码如下:
private E dequeue() { // assert takeLock.isHeldByCurrentThread(); // assert head.item == null; Node<E> h = head; Node<E> first = h.next; h.next = h; // help GC head = first; E x = first.item; first.item = null; return x;}
dequeue()的作用就是删除队列的头节点,并将表头指向“原头节点的下一个节点”。
signalNotFull()的源码如下:
private void signalNotFull() { final ReentrantLock putLock = this.putLock; putLock.lock(); try { notFull.signal(); } finally { putLock.unlock(); }}
signalNotFull()的作用就是唤醒notFull上的等待线程。
4. 遍历
下面对LinkedBlockingQueue的遍历方法进行说明。
public Iterator<E> iterator() { return new Itr();}
iterator()实际上是返回一个Iter对象。
Itr类的定义如下:
private class Itr implements Iterator<E> { // 当前节点 private Node<E> current; // 上一次返回的节点 private Node<E> lastRet; // 当前节点对应的值 private E currentElement; Itr() { // 同时获取“插入锁putLock” 和 “取出锁takeLock” fullyLock(); try { // 设置“当前元素”为“队列表头的下一节点”,即为队列的第一个有效节点 current = head.next; if (current != null) currentElement = current.item; } finally { // 释放“插入锁putLock” 和 “取出锁takeLock” fullyUnlock(); } } // 返回“下一个节点是否为null” public boolean hasNext() { return current != null; } private Node<E> nextNode(Node<E> p) { for (;;) { Node<E> s = p.next; if (s == p) return head.next; if (s == null || s.item != null) return s; p = s; } } // 返回下一个节点 public E next() { fullyLock(); try { if (current == null) throw new NoSuchElementException(); E x = currentElement; lastRet = current; current = nextNode(current); currentElement = (current == null) ? null : current.item; return x; } finally { fullyUnlock(); } } // 删除下一个节点 public void remove() { if (lastRet == null) throw new IllegalStateException(); fullyLock(); try { Node<E> node = lastRet; lastRet = null; for (Node<E> trail = head, p = trail.next; p != null; trail = p, p = p.next) { if (p == node) { unlink(p, trail); break; } } } finally { fullyUnlock(); } }}
LinkedBlockingQueue示例
1 import java.util.*; 2 import java.util.concurrent.*; 3 4 /* 5 * LinkedBlockingQueue是“线程安全”的队列,而LinkedList是非线程安全的。 6 * 7 * 下面是“多个线程同时操作并且遍历queue”的示例 8 * (01) 当queue是LinkedBlockingQueue对象时,程序能正常运行。 9 * (02) 当queue是LinkedList对象时,程序会产生ConcurrentModificationException异常。10 *11 * @author skywang12 */13 public class LinkedBlockingQueueDemo1 {14 15 // TODO: queue是LinkedList对象时,程序会出错。16 //private static Queue<String> queue = new LinkedList<String>();17 private static Queue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<String>();18 public static void main(String[] args) {19 20 // 同时启动两个线程对queue进行操作!21 new MyThread("ta").start();22 new MyThread("tb").start();23 }24 25 private static void printAll() {26 String value;27 Iterator iter = queue.iterator();28 while(iter.hasNext()) {29 value = (String)iter.next();30 System.out.print(value+", ");31 }32 System.out.println();33 }34 35 private static class MyThread extends Thread {36 MyThread(String name) {37 super(name);38 }39 @Override40 public void run() {41 int i = 0;42 while (i++ < 6) {43 // “线程名” + "-" + "序号"44 String val = Thread.currentThread().getName()+i;45 queue.add(val);46 // 通过“Iterator”遍历queue。47 printAll();48 }49 }50 }51 }
(某一次)运行结果:
tb1, ta1, tb1, ta1, ta2, tb1, ta1, ta2, ta3, tb1, ta1, ta2, ta3, ta4, tb1, ta1, tb1, ta2, ta1, ta3, ta2, ta4, ta3, ta5, ta4, tb1, ta5, ta1, ta6, ta2, tb1, ta3, ta1, ta4, ta2, ta5, ta3, ta6, ta4, tb2, ta5, ta6, tb2, tb1, ta1, ta2, ta3, ta4, ta5, ta6, tb2, tb3, tb1, ta1, ta2, ta3, ta4, ta5, ta6, tb2, tb3, tb4, tb1, ta1, ta2, ta3, ta4, ta5, ta6, tb2, tb3, tb4, tb5, tb1, ta1, ta2, ta3, ta4, ta5, ta6, tb2, tb3, tb4, tb5, tb6,
结果说明:
示例程序中,启动两个线程(线程ta和线程tb)分别对LinkedBlockingQueue进行操作。以线程ta而言,它会先获取“线程名”+“序号”,然后将该字符串添加到LinkedBlockingQueue中;接着,遍历并输出LinkedBlockingQueue中的全部元素。 线程tb的操作和线程ta一样,只不过线程tb的名字和线程ta的名字不同。
当queue是LinkedBlockingQueue对象时,程序能正常运行。如果将queue改为LinkedList时,程序会产生ConcurrentModificationException异常。
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