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[Java语言] 详细分析Java并发集合LinkedBlockingQueue的用法

发表于 2018-5-2 08:00:01

在上一章我们讲解了ArrayBlockingQueue,用数组形式实现的阻塞队列。

数组的长度在创建时就必须确定,如果数组长度小了,那么ArrayBlockingQueue队列很容易就被阻塞,如果数组长度大了,就容易浪费内存。

而队列这个数据结构天然适合用链表这个形式,而LinkedBlockingQueue就是使用链表方式实现的阻塞队列。

一. 链表实现

1.1 Node内部类

  1. /**
  2. * 链表的节点,同时也是通过它来实现一个单向链表
  3. */
  4. static class Node<E> {
  5. E item;
  6. // 指向链表的下一个节点
  7. Node<E> next;
  8. Node(E x) { item = x; }
  9. }
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有一个变量e储存数据,有一个变量next指向下一个节点的引用。它可以实现最简单地单向列表。

1.2 怎样实现链表

  1. /**
  2. * 它的next指向队列头,这个节点不存储数据
  3. */
  4. transient Node<E> head;
  5. /**
  6. * 队列尾节点
  7. */
  8. private transient Node<E> last;
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要实现链表,必须有两个变量,一个表示链表头head,一个表示链表尾last。head和last都会在LinkedBlockingQueue对象创建的时候被初始化。

  1. last = head = new Node<E>(null);
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注意这里用了一个小技巧,链表头head节点并没有存放数据,它指向的下一个节点,才真正存储了链表中第一个数据。而链表尾last的确储存了链表最后一个数据。

1.3 插入和删除节点

  1. /**
  2. * 向队列尾插入节点
  3. */
  4. private void enqueue(Node<E> node) {
  5. // assert putLock.isHeldByCurrentThread(); // 当前线程肯定获取了putLock锁
  6. // 将原队列尾节点的next引用指向新节点node,然后再将node节点设置成队列尾节点last
  7. // 这样就实现了向队列尾插入节点
  8. last = last.next = node;
  9. }
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在链表尾插入节点很简单,将原队列尾last的下一个节点next指向新节点node,再将新节点node赋值给队列尾last节点。这样就实现了插入一个新节点。

  1. // 移除队列头节点,并返回被删除的节点数据
  2. private E dequeue() {
  3. // assert takeLock.isHeldByCurrentThread(); // 当前线程肯定获取了takeLock锁
  4. // assert head.item == null;
  5. Node<E> h = head;
  6. // first节点中才存储了队列中第一个元素的数据
  7. Node<E> first = h.next;
  8. h.next = h; // help GC
  9. // 设置新的head值,相当于删除了first节点。因为head节点本身不储存数据
  10. head = first;
  11. // 队列头的数据
  12. E x = first.item;
  13. // 移除原先的数据
  14. first.item = null;
  15. return x;
  16. }
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要注意head并不是链表头,它的next才是指向链表头,所以删除链表头也很简单,就是将head.next赋值给head,然后返回原先head.next节点的数据。

删除的时候,就要注意链表为空的情况。head.next的值使用enqueue方法添加的。当head.next==last的时候,表示已经删除到最后一个元素了,当head.next==null的时候,就不能删除了,因为链表已经为空了。这里没有做判断,是因为在调用dequeue方法的地方已经做过判断了。

二. 同步锁ReentrantLock和条件Condition

因为阻塞队列在队列为空和队列已满的情况下,都必须阻塞等待,那么就天然需要两个条件。而为了保证多线程并发安全,又需要一个同步锁。这个在ArrayBlockingQueue中已经说过了。

这里我们来说说LinkedBlockingQueue不一样的地方。

  1. /** 独占锁,用于处理插入队列操作的并发问题,即put与offer操作 */
  2. private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();
  3. /** 队列不满的条件Condition,它是由putLock锁生成的 */
  4. private final Condition notFull = putLock.newCondition();
  5. /** 独占锁,用于处理删除队列头操作的并发问题,即take与poll操作 */
  6. private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();
  7. /** 队列不为空的条件Condition, 它使用takeLock锁生成的 */
  8. private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();
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2.1 putLock与takeLock

我们发现使用了两把锁:

  1. putLock 同步所有插入元素的操作,即put与offer系列方法的操作。
  2. takeLock 同步删除和获取元素的操作,即take与poll系列方法操作。

按照上面的说法,可能会出现同时插入元素和删除元素的操作,那么就不会出现问题么?

我们来具体分析一个下,对于队列来说操作分为三种:

  1. 在队列尾插入元素。即put与offer系列方法,它们会涉及两个变量,队列中元素个数count,和队列尾节点last。(不会涉及head节点)
  2. 移除队列头元素。即take与poll系列方法,它们会涉及两个变量,队列中元素个数count,和head节点。(不会涉及队列尾节点last)
  3. 查看队列头元素。即 element()与peek()方法,它们会涉及两个变量,队列中元素个数count,和head节点。(不会涉及队列尾节点last)

因此使用putLock锁来保持last变量的安全,使用takeLock锁来保持head变量的安全。

对于都涉及了队列中元素个数count变量,所以使用AtomicInteger来保证并发安全问题。

  1. /** 队列中元素的个数,这里使用AtomicInteger变量,保证并发安全问题 */
  2. private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();
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2.2 notFull与notEmpty

  1. notFull 是由putLock锁生成的,因为当插入元素时,我们要判断队列是不是已满。
  2. notEmpty 是由takeLock锁生成的,因为当删除元素时,我们要判断队列是不是为空。

2.3 控制流程

当插入元素时:

  1. 先使用putLock.lockInterruptibly()保证只有一个线程进行插入操作.
  2. 然后利用count变量,判断队列是否已满.
  3. 满了就调用notFull.await()方法,让当前线程等待。因为notFull是由putLock产生的,这里已经获取到锁了,所以可以调用await方法。
  4. 没满就调用 enqueue方法,向队列尾插入新元素。
  5. 调用count.getAndIncrement()方法,将队列中元素个数加一,并保证多线程并发安全。
  6. 调用signalNotEmpty方法,唤醒正在等待获取元素的线程。

当删除元素时:

  1. 先使用takeLock.lockInterruptibly()保证只有一个线程进行删除操作.
  2. 然后利用count变量,判断队列是否为空.
  3. 队列为空就调用notEmpty.await()方法,让当前线程等待。因为notEmpty是由takeLock产生的,这里已经获取到锁了,所以可以调用await方法。
  4. 没满就调用 dequeue方法,删除队列头元素。
  5. 调用count.getAndDecrement()方法,将队列中元素个数减一,并保证多线程并发安全。
  6. 调用signalNotFull方法,唤醒正在等待插入元素的线程。

还要注意一下,Condition的signal和await方法必须在获取锁的情况下调用。因此就有了signalNotEmpty和signalNotFull方法:

  1. /**
  2. * 唤醒在notEmpty条件下等待的线程,即移除队列头时,发现队列为空而被迫等待的线程。
  3. * 注意,因为要调用Condition的signal方法,必须获取对应的锁,所以这里调用了takeLock.lock()方法。
  4. * 当队列中插入元素(即put或offer操作),那么队列肯定不为空,就会调用这个方法。
  5. */
  6. private void signalNotEmpty() {
  7. final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
  8. takeLock.lock();
  9. try {
  10. notEmpty.signal();
  11. } finally {
  12. takeLock.unlock();
  13. }
  14. }
  15. /**
  16. * 唤醒在notFull条件下等待的线程,即队列尾添加元素时,发现队列已满而被迫等待的线程。
  17. * 注意,因为要调用Condition的signal方法,必须获取对应的锁,所以这里调用了putLock.lock()方法
  18. * 当队列中删除元素(即take或poll操作),那么队列肯定不满,就会调用这个方法。
  19. */
  20. private void signalNotFull() {
  21. final ReentrantLock putLock = this.putLock;
  22. putLock.lock();
  23. try {
  24. notFull.signal();
  25. } finally {
  26. putLock.unlock();
  27. }
  28. }
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三. 插入元素方法

  1. public void put(E e) throws InterruptedException {
  2. if (e == null) throw new NullPointerException();
  3. // 记录插入操作前元素的个数
  4. int c = -1;
  5. // 创建新节点node
  6. Node<E> node = new Node<E>(e);
  7. final ReentrantLock putLock = this.putLock;
  8. final AtomicInteger count = this.count;
  9. putLock.lockInterruptibly();
  10. try {
  11. //表示队列已满,那么就要调用notFull.await方法,让当前线程等待
  12. while (count.get() == capacity) {
  13. notFull.await();
  14. }
  15. // 向队列尾插入新元素
  16. enqueue(node);
  17. // 将当前队列元素个数加1,并返回加1之前的元素个数。
  18. c = count.getAndIncrement();
  19. // c + 1 < capacity表示队列未满,就唤醒可能等待插入操作的线程
  20. if (c + 1 < capacity)
  21. notFull.signal();
  22. } finally {
  23. putLock.unlock();
  24. }
  25. // c == 0表示插入之前,队列是空的。队列从空到放入一个元素时,
  26. // 才唤醒等待删除的线程
  27. // 防止频繁获取takeLock锁,消耗性能
  28. if (c == 0)
  29. signalNotEmpty();
  30. }
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以put方法为例,大体流程与我们前面介绍一样,这里有一个非常怪异的代码,当插入完元素时,如果发现队列未满,那么调用notFull.signal()唤醒等待插入的线程。

大家就很疑惑了,一般来说,这个方法应该放在删除元素(take系列的方法里),因为当我们删除一个元素,那么队列肯定是未满的,那么调用notFull.signal()方法,唤醒等待插入的线程。

这里这么做主要是因为调用signal方法,必须先获取对应的锁,而在take系列的方法里使用的锁是takeLock,那么想调用notFull.signal()方法,必须先获取putLock锁,这样的话会性能就会下降,所以用了另一种方式。

  1. 首先我们应该知道signal方法,当有线程在这个条件下等待时,才会唤醒其中一个线程,当没有线程等待时,这个方法相当于什么都没做。所以这个方法的意义是可能会唤醒等待的一个线程。
  2. 当队列未满时,我们都调用notFull.signal()尝试去唤醒一个等待插入线程。而且这里已经获取putLock锁了,所以不耗时。
  3. 但是有一个问题,当队列已满的时候,所有插入操作的线程,都会等待,就没有机会调用notFull.signal()方法,那么唤醒这些等待线程呢?
  4. 唤醒这些线程的启动条件,必须是由删除元素操作触发的,因为只有删除队列才会不满。因为在take方法中 if (c == capacity) signalNotFull();

四. 删除队列头元素

  1. public E take() throws InterruptedException {
  2. E x;
  3. int c = -1;
  4. final AtomicInteger count = this.count;
  5. final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
  6. takeLock.lockInterruptibly();
  7. try {
  8. //表示队列为空,那么就要调用notEmpty.await方法,让当前线程等待
  9. while (count.get() == 0) {
  10. notEmpty.await();
  11. }
  12. // 删除队列头元素,并返回它
  13. x = dequeue();
  14. // 返回当前队列个数,然后将队列个数减一
  15. c = count.getAndDecrement();
  16. // c > 1表示队列不为空,就唤醒可能等待删除操作的线程
  17. if (c > 1)
  18. notEmpty.signal();
  19. } finally {
  20. takeLock.unlock();
  21. }
  22. /**
  23. * c == capacity表示删除操作之前,队列是满的。只有从满队列中删除一个元素时,
  24. * 才唤醒等待插入的线程
  25. * 防止频繁获取putLock锁,消耗性能
  26. */
  27. if (c == capacity)
  28. signalNotFull();
  29. return x;
  30. }
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为什么调用notEmpty.signal()方法原因,对比一下我们在插入元素方法中的解释。

五. 查看队列头元素

  1. // 查看队列头元素
  2. public E peek() {
  3. // 队列为空,返回null
  4. if (count.get() == 0)
  5. return null;
  6. final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
  7. takeLock.lock();
  8. try {
  9. // 获取队列头节点first
  10. Node<E> first = head.next;
  11. // first == null表示队列为空,返回null
  12. if (first == null)
  13. return null;
  14. else
  15. // 返回队列头元素
  16. return first.item;
  17. } finally {
  18. takeLock.unlock();
  19. }
  20. }
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查看队列头元素,涉及到head节点,所以必须使用takeLock锁。

六. 其他重要方法

6.1 remove(Object o)方法

  1. // 从队列中删除指定元素o
  2. public boolean remove(Object o) {
  3. if (o == null) return false;
  4. // 因为不是删除列表头元素,所以就涉及到head和last两个变量,
  5. // putLock与takeLock都要加锁
  6. fullyLock();
  7. try {
  8. // 遍历整个队列,p表示当前节点,trail表示当前节点的前一个节点
  9. // 因为是单向链表,所以需要记录两个节点
  10. for (Node<E> trail = head, p = trail.next;
  11. p != null;
  12. trail = p, p = p.next) {
  13. // 如果找到了指定元素,那么删除节点p
  14. if (o.equals(p.item)) {
  15. unlink(p, trail);
  16. return true;
  17. }
  18. }
  19. return false;
  20. } finally {
  21. fullyUnlock();
  22. }
  23. }
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从列表中删除指定元素,因为删除的元素不一定在列表头,所以可能会head和last两个变量,所以必须同时使用putLock与takeLock两把锁。因为是单向链表,需要一个辅助变量trail来记录前一个节点,这样才能删除当前节点p。

6.2 unlink(Node p, Node trail) 方法

  1. // 删除当前节点p,trail代表p的前一个节点
  2. void unlink(Node<E> p, Node<E> trail) {
  3. // 将当前节点的数据设置为null
  4. p.item = null;
  5. // 这样就在链表中删除了节点p
  6. trail.next = p.next;
  7. // 如果节点p是队列尾last,而它被删除了,那么就要将trail设置为last
  8. if (last == p)
  9. last = trail;
  10. // 将元素个数减一,如果原队列是满的,那么就调用notFull.signal()方法
  11. // 其实这个不用判断直接调用的,因为这里肯定获取了putLock锁
  12. if (count.getAndDecrement() == capacity)
  13. notFull.signal();
  14. }
复制代码

要在链表中删除一个节点p,只需要将p的前一个节点trail的next指向节点p的下一个节点next。

以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助,也希望大家多多支持程序员之家。



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