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Java concurrency集合之ArrayBlockingQueue_動(dòng)力節(jié)點(diǎn)Java學(xué)院整理

 更新時(shí)間:2017年06月09日 14:45:33   投稿:mrr  
ArrayBlockingQueue是數(shù)組實(shí)現(xiàn)的線程安全的有界的阻塞隊(duì)列。下面通過(guò)本文給大家介紹Java concurrency集合之ArrayBlockingQueue的相關(guān)知識(shí),感興趣的朋友一起看看吧

ArrayBlockingQueue介紹

ArrayBlockingQueue是數(shù)組實(shí)現(xiàn)的線程安全的有界的阻塞隊(duì)列。

線程安全是指,ArrayBlockingQueue內(nèi)部通過(guò)“互斥鎖”保護(hù)競(jìng)爭(zhēng)資源,實(shí)現(xiàn)了多線程對(duì)競(jìng)爭(zhēng)資源的互斥訪問(wèn)。而有界,則是指ArrayBlockingQueue對(duì)應(yīng)的數(shù)組是有界限的。 阻塞隊(duì)列,是指多線程訪問(wèn)競(jìng)爭(zhēng)資源時(shí),當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)資源已被某線程獲取時(shí),其它要獲取該資源的線程需要阻塞等待;而且,ArrayBlockingQueue是按 FIFO(先進(jìn)先出)原則對(duì)元素進(jìn)行排序,元素都是從尾部插入到隊(duì)列,從頭部開(kāi)始返回。

注意:ArrayBlockingQueue不同于ConcurrentLinkedQueue,ArrayBlockingQueue是數(shù)組實(shí)現(xiàn)的,并且是有界限的;而ConcurrentLinkedQueue是鏈表實(shí)現(xiàn)的,是無(wú)界限的。 

ArrayBlockingQueue原理和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

ArrayBlockingQueue的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),如下圖所示:

說(shuō)明:

    1. ArrayBlockingQueue繼承于AbstractQueue,并且它實(shí)現(xiàn)了BlockingQueue接口。

    2. ArrayBlockingQueue內(nèi)部是通過(guò)Object[]數(shù)組保存數(shù)據(jù)的,也就是說(shuō)ArrayBlockingQueue本質(zhì)上是通過(guò)數(shù)組實(shí)現(xiàn)的。ArrayBlockingQueue的大小,即數(shù)組的容量是創(chuàng)建ArrayBlockingQueue時(shí)指定的。   

3. ArrayBlockingQueue與ReentrantLock是組合關(guān)系,ArrayBlockingQueue中包含一個(gè)ReentrantLock對(duì)象(lock)。

ReentrantLock是可重入的互斥鎖,ArrayBlockingQueue就是根據(jù)該互斥鎖實(shí)現(xiàn)“多線程對(duì)競(jìng)爭(zhēng)資源的互斥訪問(wèn)”。而且,ReentrantLock分為公平鎖和非公平鎖,關(guān)于具體使用公平鎖還是非公平鎖,在創(chuàng)建ArrayBlockingQueue時(shí)可以指定;而且,ArrayBlockingQueue默認(rèn)會(huì)使用非公平鎖。   

4. ArrayBlockingQueue與Condition是組合關(guān)系,ArrayBlockingQueue中包含兩個(gè)Condition對(duì)象(notEmpty和notFull)。而且,Condition又依賴于ArrayBlockingQueue而存在,通過(guò)Condition可以實(shí)現(xiàn)對(duì)ArrayBlockingQueue的更精確的訪問(wèn) -- (01)若某線程(線程A)要取數(shù)據(jù)時(shí),數(shù)組正好為空,則該線程會(huì)執(zhí)行notEmpty.await()進(jìn)行等待;當(dāng)其它某個(gè)線程(線程B)向數(shù)組中插入了數(shù)據(jù)之后,會(huì)調(diào)用notEmpty.signal()喚醒“notEmpty上的等待線程”。此時(shí),線程A會(huì)被喚醒從而得以繼續(xù)運(yùn)行。(02)若某線程(線程H)要插入數(shù)據(jù)時(shí),數(shù)組已滿,則該線程會(huì)它執(zhí)行notFull.await()進(jìn)行等待;當(dāng)其它某個(gè)線程(線程I)取出數(shù)據(jù)之后,會(huì)調(diào)用notFull.signal()喚醒“notFull上的等待線程”。此時(shí),線程H就會(huì)被喚醒從而得以繼續(xù)運(yùn)行。   

ArrayBlockingQueue函數(shù)列表

// 創(chuàng)建一個(gè)帶有給定的(固定)容量和默認(rèn)訪問(wèn)策略的 ArrayBlockingQueue。
ArrayBlockingQueue(int capacity)
// 創(chuàng)建一個(gè)具有給定的(固定)容量和指定訪問(wèn)策略的 ArrayBlockingQueue。
ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair)
// 創(chuàng)建一個(gè)具有給定的(固定)容量和指定訪問(wèn)策略的 ArrayBlockingQueue,它最初包含給定 collection 的元素,并以 collection 迭代器的遍歷順序添加元素。
ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair, Collection<? extends E> c)
// 將指定的元素插入到此隊(duì)列的尾部(如果立即可行且不會(huì)超過(guò)該隊(duì)列的容量),在成功時(shí)返回 true,如果此隊(duì)列已滿,則拋出 IllegalStateException。
boolean add(E e)
// 自動(dòng)移除此隊(duì)列中的所有元素。
void clear()
// 如果此隊(duì)列包含指定的元素,則返回 true。
boolean contains(Object o)
// 移除此隊(duì)列中所有可用的元素,并將它們添加到給定 collection 中。
int drainTo(Collection<? super E> c)
// 最多從此隊(duì)列中移除給定數(shù)量的可用元素,并將這些元素添加到給定 collection 中。
int drainTo(Collection<? super E> c, int maxElements)
// 返回在此隊(duì)列中的元素上按適當(dāng)順序進(jìn)行迭代的迭代器。
Iterator<E> iterator()
// 將指定的元素插入到此隊(duì)列的尾部(如果立即可行且不會(huì)超過(guò)該隊(duì)列的容量),在成功時(shí)返回 true,如果此隊(duì)列已滿,則返回 false。
boolean offer(E e)
// 將指定的元素插入此隊(duì)列的尾部,如果該隊(duì)列已滿,則在到達(dá)指定的等待時(shí)間之前等待可用的空間。
boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
// 獲取但不移除此隊(duì)列的頭;如果此隊(duì)列為空,則返回 null。
E peek()
// 獲取并移除此隊(duì)列的頭,如果此隊(duì)列為空,則返回 null。
E poll()
// 獲取并移除此隊(duì)列的頭部,在指定的等待時(shí)間前等待可用的元素(如果有必要)。
E poll(long timeout, TimeUnit unit)
// 將指定的元素插入此隊(duì)列的尾部,如果該隊(duì)列已滿,則等待可用的空間。
void put(E e)
// 返回在無(wú)阻塞的理想情況下(不存在內(nèi)存或資源約束)此隊(duì)列能接受的其他元素?cái)?shù)量。
int remainingCapacity()
// 從此隊(duì)列中移除指定元素的單個(gè)實(shí)例(如果存在)。
boolean remove(Object o)
// 返回此隊(duì)列中元素的數(shù)量。
int size()
// 獲取并移除此隊(duì)列的頭部,在元素變得可用之前一直等待(如果有必要)。
E take()
// 返回一個(gè)按適當(dāng)順序包含此隊(duì)列中所有元素的數(shù)組。
Object[] toArray()
// 返回一個(gè)按適當(dāng)順序包含此隊(duì)列中所有元素的數(shù)組;返回?cái)?shù)組的運(yùn)行時(shí)類型是指定數(shù)組的運(yùn)行時(shí)類型。
<T> T[] toArray(T[] a)
// 返回此 collection 的字符串表示形式。
String toString()

下面從ArrayBlockingQueue的創(chuàng)建,添加,取出,遍歷這幾個(gè)方面對(duì)ArrayBlockingQueue進(jìn)行分析。

1. 創(chuàng)建

下面以ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair)來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。

public 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();
}

說(shuō)明:

(01) items是保存“阻塞隊(duì)列”數(shù)據(jù)的數(shù)組。它的定義如下:

final Object[] items;

(02) fair是“可重入的獨(dú)占鎖(ReentrantLock)”的類型。fair為true,表示是公平鎖;fair為false,表示是非公平鎖。

notEmpty和notFull是鎖的兩個(gè)Condition條件。它們的定義如下:

final ReentrantLock lock;
private final Condition notEmpty;
private final Condition notFull;

Lock的作用是提供獨(dú)占鎖機(jī)制,來(lái)保護(hù)競(jìng)爭(zhēng)資源;而Condition是為了更加精細(xì)的對(duì)鎖進(jìn)行控制,它依賴于Lock,通過(guò)某個(gè)條件對(duì)多線程進(jìn)行控制。

notEmpty表示“鎖的非空條件”。當(dāng)某線程想從隊(duì)列中取數(shù)據(jù)時(shí),而此時(shí)又沒(méi)有數(shù)據(jù),則該線程通過(guò)notEmpty.await()進(jìn)行等待;當(dāng)其它線程向隊(duì)列中插入了元素之后,就調(diào)用notEmpty.signal()喚醒“之前通過(guò)notEmpty.await()進(jìn)入等待狀態(tài)的線程”。

同理,notFull表示“鎖的滿條件”。當(dāng)某線程想向隊(duì)列中插入元素,而此時(shí)隊(duì)列已滿時(shí),該線程等待;當(dāng)其它線程從隊(duì)列中取出元素之后,就喚醒該等待的線程。 

2. 添加

下面以offer(E e)為例,對(duì)ArrayBlockingQueue的添加方法進(jìn)行說(shuō)明。

public boolean offer(E e) {
  // 創(chuàng)建插入的元素是否為null,是的話拋出NullPointerException異常
  checkNotNull(e);
  // 獲取“該阻塞隊(duì)列的獨(dú)占鎖”
  final ReentrantLock lock = this.lock;
  lock.lock();
  try {
    // 如果隊(duì)列已滿,則返回false。
    if (count == items.length)
      return false;
    else {
    // 如果隊(duì)列未滿,則插入e,并返回true。
      insert(e);
      return true;
    }
  } finally {
    // 釋放鎖
    lock.unlock();
  }
}

說(shuō)明:offer(E e)的作用是將e插入阻塞隊(duì)列的尾部。如果隊(duì)列已滿,則返回false,表示插入失敗;否則,插入元素,并返回true。

(01) count表示”隊(duì)列中的元素個(gè)數(shù)“。除此之外,隊(duì)列中還有另外兩個(gè)遍歷takeIndex和putIndex。takeIndex表示下一個(gè)被取出元素的索引,putIndex表示下一個(gè)被添加元素的索引。它們的定義如下:

// 隊(duì)列中的元素個(gè)數(shù)
int takeIndex;
// 下一個(gè)被取出元素的索引
int putIndex;
// 下一個(gè)被添加元素的索引
int count;

(02) insert()的源碼如下:

private void insert(E x) {
  // 將x添加到”隊(duì)列“中
  items[putIndex] = x;
  // 設(shè)置”下一個(gè)被取出元素的索引“
  putIndex = inc(putIndex);
  // 將”隊(duì)列中的元素個(gè)數(shù)”+1
  ++count;
  // 喚醒notEmpty上的等待線程
  notEmpty.signal();
}

insert()在插入元素之后,會(huì)喚醒notEmpty上面的等待線程。

inc()的源碼如下:

final int inc(int i) {
  return (++i == items.length) ? 0 : i;
}

若i+1的值等于“隊(duì)列的長(zhǎng)度”,即添加元素之后,隊(duì)列滿;則設(shè)置“下一個(gè)被添加元素的索引”為0。 

3. 取出

下面以take()為例,對(duì)ArrayBlockingQueue的取出方法進(jìn)行說(shuō)明。

public E take() throws InterruptedException {
  // 獲取“隊(duì)列的獨(dú)占鎖”
  final ReentrantLock lock = this.lock;
  // 獲取“鎖”,若當(dāng)前線程是中斷狀態(tài),則拋出InterruptedException異常
  lock.lockInterruptibly();
  try {
    // 若“隊(duì)列為空”,則一直等待。
    while (count == 0)
      notEmpty.await();
    // 取出元素
    return extract();
  } finally {
    // 釋放“鎖”
    lock.unlock();
  }
}

說(shuō)明:take()的作用是取出并返回隊(duì)列的頭。若隊(duì)列為空,則一直等待。

extract()的源碼如下:

private E extract() {
  final Object[] items = this.items;
  // 強(qiáng)制將元素轉(zhuǎn)換為“泛型E”
  E x = this.<E>cast(items[takeIndex]);
  // 將第takeIndex元素設(shè)為null,即刪除。同時(shí),幫助GC回收。
  items[takeIndex] = null;
  // 設(shè)置“下一個(gè)被取出元素的索引”
  takeIndex = inc(takeIndex);
  // 將“隊(duì)列中元素?cái)?shù)量”-1
  --count;
  // 喚醒notFull上的等待線程。
  notFull.signal();
  return x;
}

說(shuō)明:extract()在刪除元素之后,會(huì)喚醒notFull上的等待線程。 

4. 遍歷

下面對(duì)ArrayBlockingQueue的遍歷方法進(jìn)行說(shuō)明。

public Iterator<E> iterator() {
  return new Itr();
}

Itr是實(shí)現(xiàn)了Iterator接口的類,它的源碼如下:

private class Itr implements Iterator<E> {
  // 隊(duì)列中剩余元素的個(gè)數(shù)
  private int remaining; // Number of elements yet to be returned
  // 下一次調(diào)用next()返回的元素的索引
  private int nextIndex; // Index of element to be returned by next
  // 下一次調(diào)用next()返回的元素
  private E nextItem;  // Element to be returned by next call to next
  // 上一次調(diào)用next()返回的元素
  private E lastItem;  // Element returned by last call to next
  // 上一次調(diào)用next()返回的元素的索引
  private int lastRet;  // Index of last element returned, or -1 if none
  Itr() {
    // 獲取“阻塞隊(duì)列”的鎖
    final ReentrantLock lock = ArrayBlockingQueue.this.lock;
    lock.lock();
    try {
      lastRet = -1;
      if ((remaining = count) > 0)
        nextItem = itemAt(nextIndex = takeIndex);
    } finally {
      // 釋放“鎖”
      lock.unlock();
    }
  }
  public boolean hasNext() {
    return remaining > 0;
  }
  public E next() {
    // 獲取“阻塞隊(duì)列”的鎖
    final ReentrantLock lock = ArrayBlockingQueue.this.lock;
    lock.lock();
    try {
      // 若“剩余元素<=0”,則拋出異常。
      if (remaining <= 0)
        throw new NoSuchElementException();
      lastRet = nextIndex;
      // 獲取第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

import java.util.*;
import java.util.concurrent.*;
/*
 *  ArrayBlockingQueue是“線程安全”的隊(duì)列,而LinkedList是非線程安全的。
 *
 *  下面是“多個(gè)線程同時(shí)操作并且遍歷queue”的示例
 *  (01) 當(dāng)queue是ArrayBlockingQueue對(duì)象時(shí),程序能正常運(yùn)行。
 *  (02) 當(dāng)queue是LinkedList對(duì)象時(shí),程序會(huì)產(chǎn)生ConcurrentModificationException異常。
 *
 * 
 */
public class ArrayBlockingQueueDemo1{
  // TODO: queue是LinkedList對(duì)象時(shí),程序會(huì)出錯(cuò)。
  //private static Queue<String> queue = new LinkedList<String>();
  private static Queue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<String>(20);
  public static void main(String[] args) {
    // 同時(shí)啟動(dòng)兩個(gè)線程對(duì)queue進(jìn)行操作!
    new MyThread("ta").start();
    new MyThread("tb").start();
  }
  private static void printAll() {
    String value;
    Iterator iter = queue.iterator();
    while(iter.hasNext()) {
      value = (String)iter.next();
      System.out.print(value+", ");
    }
    System.out.println();
  }
  private static class MyThread extends Thread {
    MyThread(String name) {
      super(name);
    }
    @Override
    public void run() {
        int i = 0;
      while (i++ < 6) {
        // “線程名” + "-" + "序號(hào)"
        String val = Thread.currentThread().getName()+i;
        queue.add(val);
        // 通過(guò)“Iterator”遍歷queue。
        printAll();
      }
    }
  }
}

(某一次)運(yùn)行結(jié)果:

ta1, ta1, 
tb1, ta1, 
tb1, ta1, ta2, 
tb1, ta1, ta2, tb1, tb2, 
ta2, ta1, tb2, tb1, ta3, 
ta2, ta1, tb2, tb1, ta3, ta2, tb3, 
tb2, ta1, ta3, tb1, tb3, ta2, ta4, 
tb2, ta1, ta3, tb1, tb3, ta2, ta4, tb2, tb4, 
ta3, ta1, tb3, tb1, ta4, ta2, tb4, tb2, ta5, 
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, 

結(jié)果說(shuō)明:如果將源碼中的queue改成LinkedList對(duì)象時(shí),程序會(huì)產(chǎn)生ConcurrentModificationException異常。

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