Java集合框架源码研读-ArrayBlockingQueue

Posted by AlstonWilliams on February 17, 2019

今天我们来介绍一个BlockingQueue的实现,ArrayBlockingQueue.

从其名字中,我们就能得知,首先,这是一个队列,其次,这个队列能够被阻塞,最后,它的底层数据结构是一个数组.

老规矩,我们还是先贴上来ArrayBlockingQueue的类注释:

从类注释中,我们可以发现几点我们刚才没有提到的:

  • 这个队列会按照FIFO的顺序来处理数据(这也是队列的一个特性)
  • 新元素被插入到队列的末尾,而要获取的元素则位于队列的首部.(这里说的队列的末尾和队列的首部只是一个逻辑概念,因为其底层的数据结构毕竟是一个数组)
  • 底层数据结构数组的长度不可变
  • 向一个满队列执行put()操作会导致线程阻塞,而向一个空队列执行take()操作,也会导致线程阻塞
  • 可以为生产者线程和消费者线程指定一个公平策略,如果指定这样一个策略,那么总是会让等待时间最久的线程获得数据,或者插入数据
  • 默认情况下,是没有上述的公平策略的,即当有多个消费者在等待时,随机选择一个线程让其获得数据,对生产者也这样
  • 公平策略有好处也有坏处,好处是能够防止饥饿现象,坏处是会降低吞吐量.

ArrayBlockingQueue的内部结构

从上文中,我们也提到了,ArrayBlockingQueue的内部的数据结构是一个数组.

但是,仅仅一个数组,是肯定不够的.

ArrayBlockingQueue中,还定义了这么几种属性:

  • takeIndex: 表示下次执行take(),poll(),peek()或remove()操作时数据的位置
  • putIndex: 表示下次执行put(), offer(), add()操作时,数据的位置
  • count: 队列中已经存在的数据的个数

那么为什么需要takeIndex和putIndex这么两个字段呢?在ArrayList的实现中,当移除元素时,会涉及到数组中,数据的移动,所以,进行频繁的数据移除操作,是不适合用ArrayList的.同理,由于BlockingQueue的主要用处就是插入数据以及删除(读取)数据,如果每次删除数据时,都进行数组中数据的移动,肯定是不适合的.所以,就用这么两个指针,分别指向下次读取数据时的位置,以及插入数据时的位置.

那么,你可能就有疑问了,既然不进行数据的移动,而且数组的容量又是有限的,那么最后takeIndex和putIndex都指向数组的末尾啊.这咋整?

我们可以参考循环链表的形式啊.

takeIndex或者putIndex指向数组的末尾时,就让它指向数组的起始.因为数据是按照FIFO的顺序插入以及处理的,所以,数组中,takeIndex前面肯定是空的.所以,我们可以按照环形的方式处理.

这样确实方便了数据的插入和删除,那么我们如何判断队列是否已经满了或者是空的呢?

我们不是有记录了数组中数据的个数的count属性嘛.我们可以通过这个属性来判断呀.

除了上面介绍的这几个属性,还有三个跟线程调度有关的属性.

第一个是一个ReentrantLock,因为我们需要保证ArrayBlockingQueue的每个操作都是线程安全的.

另外两个分别是notEmptynotFull,它们的类型都是Condition,当执行数据读取的操作比如poll(),如果队列为空,那么就通过notEmpty让当前线程阻塞.notFull的用法类似.

ArrayBlockingQueue的相关操作

BlockingQueue中,定义了好几个插入和访问数据的操作,这几个操作之间都有什么差别呢?就拿插入数据来说吧,有的操作是,如果队列已满,返回一个boolean值,有的是阻塞当前线程,有的是抛出一个异常.具体的请参照下表:

BlockingQueue的使用场景

由上面的描述,相信你很容易就能看出,用BlockingQueue可以很方便的实现一个消息队列.