一，BlockingQueue

在最常見的使用到這個(gè)阻塞隊(duì)列的地方，就是我們耳熟能詳?shù)木€程池里面了，作為我們線程池的一大最大參與者，也是AQS的一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)，因此可以好好的深入了解一下這個(gè)BlockingQueue阻塞隊(duì)列。

用一句話描述這個(gè)阻塞隊(duì)列就是：它是線程的一個(gè)通信工具，在任意時(shí)刻，不管并發(fā)有多高，在單jvm進(jìn)程上，同一時(shí)間永遠(yuǎn)只有一個(gè)線程能夠?qū)﹃?duì)列進(jìn)行入隊(duì)和出隊(duì)的操作，它的特性是在任意時(shí)刻只有一個(gè)線程可以進(jìn)行take或者put操作。因此這個(gè)隊(duì)列是一個(gè)線程安全的隊(duì)列。

比較適用于生產(chǎn)者和消費(fèi)者的場(chǎng)景，因此適用的應(yīng)用場(chǎng)景如下 線程池，springCloud-Eureka的三級(jí)緩存，Nacos，Netty，RakectMq等

所有的阻塞隊(duì)列都都實(shí)現(xiàn)了對(duì)這個(gè)BlockingQueue接口

public interface BlockingQueue<E> extends Queue<E>

1，主要常用的隊(duì)列有如下

ArrayBlockingQueue： 由數(shù)組支持的有界隊(duì)列

LinkedBlockingQueue： 由鏈接節(jié)點(diǎn)支持的可選有界隊(duì)列

PriorityBlockingQueue： 由優(yōu)先級(jí)堆支持的無界優(yōu)先級(jí)隊(duì)列

DelayQueue： 由優(yōu)先級(jí)堆支持的、基于時(shí)間的調(diào)度隊(duì)列

2，基本工作原理實(shí)現(xiàn)如下

1，以一個(gè)有界隊(duì)列為例，首先消費(fèi)者這邊獲取到鎖，然后會(huì)生產(chǎn)商品，然后會(huì)往隊(duì)列中填滿數(shù)據(jù)，隊(duì)列填滿之后，生產(chǎn)者端會(huì)進(jìn)行阻塞，同時(shí)會(huì)釋放這把鎖，并且會(huì)通知這個(gè)消費(fèi)者趕緊去消費(fèi)。當(dāng)然內(nèi)部也做了很多事情，不一定就是說一定要阻塞隊(duì)列滿了之后才會(huì)去喚醒生產(chǎn)者去消費(fèi)，而是消費(fèi)者那邊也會(huì)有一個(gè)監(jiān)聽事件，只有隊(duì)列不為空，就會(huì)有這個(gè)消費(fèi)者來消費(fèi)。

2，消費(fèi)者在接收到生產(chǎn)者的通知之后呢，就會(huì)先去獲取到這把鎖，然后對(duì)里面的產(chǎn)品進(jìn)行消費(fèi)，當(dāng)隊(duì)列里面的產(chǎn)品都被消費(fèi)完成之后，消費(fèi)者這邊又會(huì)釋放這把鎖，然后將自身阻塞，并同時(shí)去喚醒這個(gè)生產(chǎn)者繼續(xù)生產(chǎn)產(chǎn)品。

3，生產(chǎn)者又獲取到鎖，然后重復(fù)執(zhí)行第一步。

3，基本api使用如下

二，源碼剖析

在了解過一定的工作原理之后，接下來可以對(duì)源碼分析一波。

2.1，ArrayBlockingQueue

這里主要通過這個(gè)ArrayBlockingQueue為例，來描述一下這個(gè)阻塞隊(duì)列的工作流程

BlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<Integer>(BOUND);

這個(gè)構(gòu)造方法里面有如下參數(shù)

public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
    if (capacity <= 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    this.items = new Object[capacity];
    lock = new ReentrantLock(fair); //非公平鎖
    notEmpty = lock.newCondition(); //條件對(duì)象，用于喚醒指定線程
    notFull =  lock.newCondition(); //條件對(duì)象
}

生產(chǎn)者會(huì)向隊(duì)列中put產(chǎn)品，生產(chǎn)者后會(huì)持有鎖，此時(shí)會(huì)向隊(duì)列中存放產(chǎn)品，如果隊(duì)列滿了，則會(huì)阻塞自己，并且在最后會(huì)釋放鎖。

public void put(E e) throws InterruptedException {
    checkNotNull(e);
    final ReentrantLock lock = this.lock; //生產(chǎn)者加鎖
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        while (count == items.length) //如果隊(duì)列滿了，則會(huì)阻塞
            notFull.await();
        enqueue(e);
    } finally {
        lock.unlock(); //釋放鎖
    }
}

既然涉及到ReentrantLock，那么就用從之前的AQS里面講起了，這里面這要是一個(gè)CLH同步等待隊(duì)列，由一個(gè)雙向鏈表和一個(gè)同步阻塞器組成，同步阻塞器會(huì)有一個(gè)state和一個(gè)exclusiveOwnerThread狀態(tài)組成，state=0表示當(dāng)前沒有對(duì)象獲取到鎖，可以來競(jìng)爭(zhēng)鎖。每個(gè)結(jié)點(diǎn)由一個(gè)前驅(qū)指針和一個(gè)后繼指針，并且里面有一個(gè)waitStatus等待狀態(tài)，該狀態(tài)主要表示下一個(gè)結(jié)點(diǎn)的存活狀態(tài)。

這里的話不會(huì)像之前一樣使用這個(gè)CLH同步等待隊(duì)列，而是加入了一種新的Condition條件等待隊(duì)列，如下圖。由firstWaiter和nextWaiter組成的單向鏈表隊(duì)列，里面的waitStatus為CONDITION:-2 。也就是說如果當(dāng)前生產(chǎn)者結(jié)點(diǎn)后面的結(jié)點(diǎn)又是一個(gè)生產(chǎn)者節(jié)點(diǎn)，因?yàn)槠陂g可能存在多個(gè)生產(chǎn)者的線程，而為了喚醒接下來的消費(fèi)者，就會(huì)創(chuàng)建一個(gè)條件等待隊(duì)列，去存儲(chǔ)后面的生產(chǎn)者結(jié)點(diǎn)。 就是說在CLH同步等待隊(duì)列中，當(dāng)前結(jié)點(diǎn)為生產(chǎn)者的話，在阻塞隊(duì)列滿了之后，如果CLH中的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)還是生產(chǎn)者，則會(huì)將waitStatus的狀態(tài)設(shè)置成-2，并將下一個(gè)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到這個(gè)條件等待隊(duì)列里面并進(jìn)行排隊(duì)，如果下一個(gè)結(jié)點(diǎn)還是，又會(huì)將下一個(gè)結(jié)點(diǎn)移動(dòng)到這個(gè)條件等待隊(duì)列里面并進(jìn)行排隊(duì)。知道下一個(gè)結(jié)點(diǎn)是消費(fèi)者為止。

await()釋放鎖的流程如下

public final void await() throws InterruptedException {
    //線程是否被中斷，如果被中斷，直接拋異常
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    //條件等待隊(duì)列，會(huì)構(gòu)建一個(gè)新的隊(duì)列
    Node node = addConditionWaiter();
    //釋放鎖，并對(duì)對(duì)應(yīng)的結(jié)點(diǎn)進(jìn)行喚醒操作
    int savedState = fullyRelease(node);
    int interruptMode = 0;
    //判斷當(dāng)前結(jié)點(diǎn)是在條件隊(duì)列里面還是在同步隊(duì)列里面
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        LockSupport.park(this);
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
            break;
    }
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
        interruptMode = REINTERRUPT;
    if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
        unlinkCancelledWaiters();
    if (interruptMode != 0)
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}

構(gòu)建條件等待隊(duì)列如下

private Node addConditionWaiter() {
    Node t = lastWaiter;
    // If lastWaiter is cancelled, clean out.
    if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
        unlinkCancelledWaiters();
        t = lastWaiter;
    }
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
    if (t == null)
        firstWaiter = node;
    else
        t.nextWaiter = node;
    lastWaiter = node;
    return node;
}

出隊(duì)，消費(fèi)者在獲取產(chǎn)品時(shí)，產(chǎn)品就會(huì)出隊(duì)，與此同時(shí)，在隊(duì)列出隊(duì)成功之后，隊(duì)列中就會(huì)有一個(gè)空位，會(huì)調(diào)用notFull.signal()方法，通知生產(chǎn)者可以去生產(chǎn)產(chǎn)品了。并將這個(gè)條件等待隊(duì)列放回這個(gè)CLH隊(duì)列里面，只有在CLH隊(duì)列里面才會(huì)獲取鎖。最后在CLH中才能進(jìn)行unPark釋放鎖的操作。

private E dequeue() {
    // assert lock.getHoldCount() == 1;
    // assert items[takeIndex] != null;
    final Object[] items = this.items;
    @SuppressWarnings("unchecked")
    E x = (E) items[takeIndex];
    items[takeIndex] = null;
    if (++takeIndex == items.length)
        takeIndex = 0;
    count--;
    if (itrs != null)
        itrs.elementDequeued();
    //隊(duì)列中有空位，通知生產(chǎn)者生產(chǎn)產(chǎn)品
    notFull.signal();
    return x;
}

消費(fèi)者獲取產(chǎn)品

public E take() throws InterruptedException {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == 0)
                notEmpty.await();
            return dequeue();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

三，總結(jié)

BlockingQueue也是基于這個(gè)AQS的方式實(shí)現(xiàn)的，主要是利用這個(gè)生產(chǎn)者和消費(fèi)者這個(gè)模型來實(shí)現(xiàn)。

通過這個(gè)AQS中的CLH同步隊(duì)列來對(duì)節(jié)點(diǎn)的鎖的阻塞和釋放，期間利用了這個(gè)條件等待隊(duì)列來實(shí)現(xiàn)，如果存在多個(gè)生產(chǎn)者的線程的情況下，就會(huì)將這些線程加入到一個(gè)條件等待的隊(duì)列里面。

并將這個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)改為-2，condition狀態(tài)。

在全部進(jìn)入條件等待隊(duì)列之后，這個(gè)鎖還在并沒有釋放，因此最后又需要將這個(gè)條件等待隊(duì)列里面的結(jié)點(diǎn)加回到CLH同步隊(duì)列中，再進(jìn)行排隊(duì)的釋放這個(gè)鎖。結(jié)點(diǎn)出隊(duì)的時(shí)候，然后生產(chǎn)者會(huì)通過一個(gè)singal監(jiān)聽這個(gè)消費(fèi)者，每當(dāng)這個(gè)阻塞隊(duì)列里面出隊(duì)，有一個(gè)位置的的時(shí)候，生產(chǎn)者就會(huì)生產(chǎn)這個(gè)產(chǎn)品。

消費(fèi)者也會(huì)監(jiān)聽這個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列中只要不為空，就回去消費(fèi)隊(duì)列中的產(chǎn)品。

獲取鎖的條件 只有在CLH隊(duì)列里等待的Node結(jié)點(diǎn)并且前驅(qū)結(jié)點(diǎn)的 waitStatus 為sinal = -1的可被喚醒的結(jié)點(diǎn)。

條件隊(duì)列里面的這些節(jié)點(diǎn)是不能獲取到鎖的。

到此這篇關(guān)于Java中的BlockingQueue阻塞隊(duì)列原理以及實(shí)現(xiàn)詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)BlockingQueue阻塞隊(duì)列內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

最新評(píng)論