如何理解ArrayBlockingQueue的線程安全

本篇內容介紹了“如何理解ArrayBlockingQueue的線程安全”的有關知識，在實際案例的操作過程中，不少人都會遇到這樣的困境，接下來就讓小編帶領大家學習一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細閱讀，能夠學有所成！

ArrayBlockingQueue的線程安全是通過底層的ReentrantLock保證的，因此在元素出入隊列操作時，無需額外加鎖。寫一段簡單的代碼舉個例子，從具體的使用來說明它的線程安全吧

ArrayBlockingQueue<integer> queue=new ArrayBlockingQueue(7,
        true, new ArrayList&lt;&gt;(Arrays.asList(new Integer[]{1,2,3,4,5,6,7})));

@AllArgsConstructor
class Task implements Runnable{
    String threadName;
    @Override
    public void run() {
        while(true) {
            try {
                System.out.println(threadName+" take: "+queue.take());
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

private void queueTest(){
    new Thread(new Task("Thread 1")).start();
    new Thread(new Task("Thread 2")).start();
}

在代碼中創建隊列時就往里放入了7個元素，然后創建兩個線程各自從隊列中取出元素。對隊列的操作也非常簡單，只用到了操作隊列中出隊方法take，運行結果如下：

Thread 1 take: 1
Thread 2 take: 2
Thread 1 take: 3
Thread 2 take: 4
Thread 1 take: 5
Thread 2 take: 6
Thread 1 take: 7

可以看到在公平模式下，兩個線程交替對隊列中的元素執行出隊操作，并沒有出現重復取出的情況，即保證了多個線程對資源競爭的互斥訪問。它的過程如下：

面試官：那它的阻塞性呢？

Hydra：好的，還是寫段代碼通過例子來說明

private static void queueTest() throws InterruptedException {
    ArrayBlockingQueue<integer> queue=new ArrayBlockingQueue&lt;&gt;(3);
    int size=7;
    Thread putThread=new Thread(()-&gt;{
        for (int i = 0; i <size ; i++) { try queue.put(i); system.out.println("putthread put: "+i+" - size:"+queue.size()); thread.sleep(1000); } catch (interruptedexception e) e.printstacktrace(); }); thread takethread="new" thread(()> {
        for (int i = 0; i &lt; size+1 ; i++) {
            try {
                Thread.sleep(3000);
                System.out.println("TakeThread take: "+queue.take());
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    });

    putThread.start();
    Thread.sleep(1000);
    takeThread.start();
}

和第一個例子中的代碼不同，這次我們創建隊列時只指定長度，并不在初始化時就往隊列中放入元素。接下來創建兩個線程，一個線程充當生產者，生產產品放入到隊列中，另一個線程充當消費者，消費隊列中的產品。需要注意生產和消費的速度是不同的，生產者每一秒生產一個，而消費者每三秒才消費一個。執行上面的代碼，運行結果如下：

PutThread put: 0 - Size:1
PutThread put: 1 - Size:2
PutThread put: 2 - Size:3
TakeThread take: 0
PutThread put: 3 - Size:3
TakeThread take: 1
PutThread put: 4 - Size:3
TakeThread take: 2
PutThread put: 5 - Size:3
TakeThread take: 3
PutThread put: 6 - Size:3
TakeThread take: 4
TakeThread take: 5
TakeThread take: 6

來給你畫個比較直觀的圖吧：

分析運行結果，能夠在兩個方面體現出隊列的阻塞性：

• 入隊阻塞：當隊列中的元素個數等于隊列長度時，會阻塞向隊列中放入元素的操作，當有出隊操作取走隊列中元素，隊列出現空缺位置后，才會再進行入隊

• 出隊阻塞：當隊列中的元素為空時，執行出隊操作的線程將被阻塞，直到隊列不為空時才會再次執行出隊操作。在上面的代碼的出隊線程中，我們故意將出隊的次數設為了隊列中元素數量加一，因此這個線程最后會被一直阻塞，程序將一直執行不會結束

面試官：你只會用put和take方法嗎，能不能講講其他的方法？

Hydra：方法太多了，簡單概括一下插入和移除相關的操作吧

面試官：方法記得還挺清楚，看樣子是個合格的 API caller。下面說說原理吧，先講一下ArrayBlockingQueue 的結構

Hydra：在ArrayBlockingQueue 中有下面四個比較重要的屬性

final Object[] items;
final ReentrantLock lock;
private final Condition notEmpty;
private final Condition notFull;

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();
}

在構造函數中對它們進行了初始化：

• Object[] items：隊列的底層由數組組成，并且數組的長度在初始化就已經固定，之后無法改變

• ReentrantLock lock：用對控制隊列操作的獨占鎖，在操作隊列的元素前需要獲取鎖，保護競爭資源

• Condition notEmpty：條件對象，如果有線程從隊列中獲取元素時隊列為空，就會在此進行等待，直到其他線程向隊列后插入元素才會被喚醒

• Condition notFull：如果有線程試圖向隊列中插入元素，且此時隊列為滿時，就會在這進行等待，直到其他線程取出隊列中的元素才會被喚醒

Condition是一個接口，代碼中的notFull和notEmpty實例化的是AQS的內部類ConditionObject，它的內部是由AQS中的Node組成的等待鏈，ConditionObject中有一個頭節點firstWaiter和尾節點lastWaiter，并且每一個Node都有指向相鄰節點的指針。簡單的來說，它的結構是下面這樣的：

至于它的作用先賣個關子，放在后面講。除此之外，還有兩個int類型的屬性takeIndex和putIndex，表示獲取元素的索引位置和插入元素的索引位置。假設一個長度為5的隊列中已經有了3個元素，那么它的結構是這樣的：

面試官：說一下隊列的插入操作吧

Hydra：好的，那我們先說add和offer方法，在執行add方法時，調用了其父類AbstractQueue中的add方法。add方法則調用了offer方法，如果添加成功返回true，添加失敗時拋出異常，看一下源碼：

public boolean add(E e) {
    if (offer(e))
        return true;
    else
        throw new IllegalStateException("Queue full");
}

public boolean offer(E e) {
    checkNotNull(e);//檢查元素非空
    final ReentrantLock lock = this.lock; //獲取鎖并加鎖
    lock.lock();
    try {
        if (count == items.length)//隊列已滿
            return false;
        else {
            enqueue(e);//入隊
            return true;
        }
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

實際將元素加入隊列的核心方法enqueue：

private void enqueue(E x) {
    final Object[] items = this.items;
    items[putIndex] = x; 
    if (++putIndex == items.length)
        putIndex = 0;
    count++;
    notEmpty.signal();
}

在enqueue中，首先將元素放入數組中下標為putIndex的位置，然后對putIndex自增，并判斷是否已處于隊列中最后一個位置，如果putIndex索引位置等于數組的長度時，那么將putIndex置為0，即下一次在元素入隊時，從隊列頭開始放置。

舉個例子，假設有一個長度為5的隊列，現在已經有4個元素，我們進行下面一系列的操作，來看一下索引下標的變化：

上面這個例子提前用到了隊列中元素被移除時takeIndex會自增的知識點，通過這個例子中索引的變化，可以看出ArrayBlockingQueue就是一個循環隊列，takeIndex就相當于隊列的頭指針，而putIndex相當于隊列的尾指針的下一個位置索引。并且這里不需要擔心在隊列已滿時還會繼續向隊列中添加元素，因為在offer方法中會首先判斷隊列是否已滿，只有在隊列不滿時才會執行enqueue方法。

面試官：這個過程我明白了，那enqueue方法里最后的notEmpty.signal()是什么意思？

Hydra：這是一個喚醒操作，等后面講完它的掛起后再說。我還是先把插入操作中的put方講完吧，看一下它的源碼：

public void put(E e) throws InterruptedException {
    checkNotNull(e);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        while (count == items.length)
            notFull.await();
        enqueue(e);
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

put方法是一個阻塞方法，當隊列中元素未滿時，會直接調用enqueue方法將元素加入隊列中。如果隊列已滿，就會調用notFull.await()方法將掛起當前線程，直到隊列不滿時才會被喚醒，繼續執行插入操作。

當隊列已滿，再執行put操作時，就會執行下面的流程：

這里提前劇透一下，當隊列中有元素被移除，在調用dequeue方法中的notFull.signal()時，會喚醒等待隊列中的線程，并把對應的元素添加到隊列中，流程如下：

做一個總結，在插入元素的幾個方法中，add、offer以及帶有超時的offer方法都是非阻塞的，會立即返回或超時后立即返回，而put方法是阻塞的，只有當隊列不滿添加成功后才會被返回。

面試官：講的不錯，講完插入操作了再講講移除操作吧

Hydra：還是老規矩，先說非阻塞的方法remove和poll，父類的remove方法還是會調用子類的poll方法，不同的是remove方法在隊列為空時拋出異常，而poll會直接返回null。這兩個方法的核心還是調用的dequeue方法，它的源碼如下：

private E dequeue() {
    final Object[] items = this.items;
    E x = (E) items[takeIndex];
    items[takeIndex] = null;
    if (++takeIndex == items.length)
        takeIndex = 0;
    count--;
    if (itrs != null)
        //更新迭代器中的元素
        itrs.elementDequeued();
    notFull.signal();
    return x;
}

在dequeue中，在獲取到數組下標為takeIndex的元素，并將該位置置為null。將takeIndex自增后判斷是否與數組長度相等，如果相等還是按之前循環隊列的理論，將它的索引置為0，并將隊列的中的計數減1。

有一個隊列初始化時有5個元素，我們對齊分別進行5次的出隊操作，查看索引下標的變化情況：

然后我們還是結合take方法來說明線程的掛起和喚醒的操作，與put方法相對，take用于阻塞獲取元素，來看一下它的源碼：

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

take是一個可以被中斷的阻塞獲取元素的方法，首先判斷隊列是否為空，如果隊列不為空那么就調用dequeue方法移除元素，如果隊列為空時就調用notEmpty.await()就將當前線程掛起，直到有其他的線程調用了enqueue方法，才會喚醒等待隊列中被掛起的線程。可以參考下面的圖來理解：

當有其他線程向隊列中插入元素后：

入隊的enqueue方法會調用notEmpty.signal()，喚醒等待隊列中firstWaiter指向的節中的線程，并且該線程會調用dequeue完成元素的出隊操作。到這移除的操作就也分析完了，至于開頭為什么說ArrayBlockingQueue是線程安全的，看到每個方法前都通過全局單例的lock加鎖，相信你也應該明白了

“如何理解ArrayBlockingQueue的線程安全”的內容就介紹到這里了，感謝大家的閱讀。如果想了解更多行業相關的知識可以關注億速云網站，小編將為大家輸出更多高質量的實用文章！