Java concurrency集合之ArrayBlockingQueue_动力节点Java学院整理
arrayblockingqueue介绍
arrayblockingqueue是数组实现的线程安全的有界的阻塞队列。
线程安全是指,arrayblockingqueue内部通过“互斥锁”保护竞争资源,实现了多线程对竞争资源的互斥访问。而有界,则是指arrayblockingqueue对应的数组是有界限的。 阻塞队列,是指多线程访问竞争资源时,当竞争资源已被某线程获取时,其它要获取该资源的线程需要阻塞等待;而且,arrayblockingqueue是按 fifo(先进先出)原则对元素进行排序,元素都是从尾部插入到队列,从头部开始返回。
注意:arrayblockingqueue不同于concurrentlinkedqueue,arrayblockingqueue是数组实现的,并且是有界限的;而concurrentlinkedqueue是链表实现的,是*限的。
arrayblockingqueue原理和数据结构
arrayblockingqueue的数据结构,如下图所示:
说明:
1. arrayblockingqueue继承于abstractqueue,并且它实现了blockingqueue接口。
2. arrayblockingqueue内部是通过object[]数组保存数据的,也就是说arrayblockingqueue本质上是通过数组实现的。arrayblockingqueue的大小,即数组的容量是创建arrayblockingqueue时指定的。
3. arrayblockingqueue与reentrantlock是组合关系,arrayblockingqueue中包含一个reentrantlock对象(lock)。
reentrantlock是可重入的互斥锁,arrayblockingqueue就是根据该互斥锁实现“多线程对竞争资源的互斥访问”。而且,reentrantlock分为公平锁和非公平锁,关于具体使用公平锁还是非公平锁,在创建arrayblockingqueue时可以指定;而且,arrayblockingqueue默认会使用非公平锁。
4. arrayblockingqueue与condition是组合关系,arrayblockingqueue中包含两个condition对象(notempty和notfull)。而且,condition又依赖于arrayblockingqueue而存在,通过condition可以实现对arrayblockingqueue的更精确的访问 -- (01)若某线程(线程a)要取数据时,数组正好为空,则该线程会执行notempty.await()进行等待;当其它某个线程(线程b)向数组中插入了数据之后,会调用notempty.signal()唤醒“notempty上的等待线程”。此时,线程a会被唤醒从而得以继续运行。(02)若某线程(线程h)要插入数据时,数组已满,则该线程会它执行notfull.await()进行等待;当其它某个线程(线程i)取出数据之后,会调用notfull.signal()唤醒“notfull上的等待线程”。此时,线程h就会被唤醒从而得以继续运行。
arrayblockingqueue函数列表
// 创建一个带有给定的(固定)容量和默认访问策略的 arrayblockingqueue。 arrayblockingqueue(int capacity) // 创建一个具有给定的(固定)容量和指定访问策略的 arrayblockingqueue。 arrayblockingqueue(int capacity, boolean fair) // 创建一个具有给定的(固定)容量和指定访问策略的 arrayblockingqueue,它最初包含给定 collection 的元素,并以 collection 迭代器的遍历顺序添加元素。 arrayblockingqueue(int capacity, boolean fair, collection<? extends e> c) // 将指定的元素插入到此队列的尾部(如果立即可行且不会超过该队列的容量),在成功时返回 true,如果此队列已满,则抛出 illegalstateexception。 boolean add(e e) // 自动移除此队列中的所有元素。 void clear() // 如果此队列包含指定的元素,则返回 true。 boolean contains(object o) // 移除此队列中所有可用的元素,并将它们添加到给定 collection 中。 int drainto(collection<? super e> c) // 最多从此队列中移除给定数量的可用元素,并将这些元素添加到给定 collection 中。 int drainto(collection<? super e> c, int maxelements) // 返回在此队列中的元素上按适当顺序进行迭代的迭代器。 iterator<e> iterator() // 将指定的元素插入到此队列的尾部(如果立即可行且不会超过该队列的容量),在成功时返回 true,如果此队列已满,则返回 false。 boolean offer(e e) // 将指定的元素插入此队列的尾部,如果该队列已满,则在到达指定的等待时间之前等待可用的空间。 boolean offer(e e, long timeout, timeunit unit) // 获取但不移除此队列的头;如果此队列为空,则返回 null。 e peek() // 获取并移除此队列的头,如果此队列为空,则返回 null。 e poll() // 获取并移除此队列的头部,在指定的等待时间前等待可用的元素(如果有必要)。 e poll(long timeout, timeunit unit) // 将指定的元素插入此队列的尾部,如果该队列已满,则等待可用的空间。 void put(e e) // 返回在无阻塞的理想情况下(不存在内存或资源约束)此队列能接受的其他元素数量。 int remainingcapacity() // 从此队列中移除指定元素的单个实例(如果存在)。 boolean remove(object o) // 返回此队列中元素的数量。 int size() // 获取并移除此队列的头部,在元素变得可用之前一直等待(如果有必要)。 e take() // 返回一个按适当顺序包含此队列中所有元素的数组。 object[] toarray() // 返回一个按适当顺序包含此队列中所有元素的数组;返回数组的运行时类型是指定数组的运行时类型。 <t> t[] toarray(t[] a) // 返回此 collection 的字符串表示形式。 string tostring()
下面从arrayblockingqueue的创建,添加,取出,遍历这几个方面对arrayblockingqueue进行分析。
1. 创建
下面以arrayblockingqueue(int capacity, boolean fair)来进行说明。
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(); }
说明:
(01) items是保存“阻塞队列”数据的数组。它的定义如下:
final object[] items;
(02) fair是“可重入的独占锁(reentrantlock)”的类型。fair为true,表示是公平锁;fair为false,表示是非公平锁。
notempty和notfull是锁的两个condition条件。它们的定义如下:
final reentrantlock lock; private final condition notempty; private final condition notfull;
lock的作用是提供独占锁机制,来保护竞争资源;而condition是为了更加精细的对锁进行控制,它依赖于lock,通过某个条件对多线程进行控制。
notempty表示“锁的非空条件”。当某线程想从队列中取数据时,而此时又没有数据,则该线程通过notempty.await()进行等待;当其它线程向队列中插入了元素之后,就调用notempty.signal()唤醒“之前通过notempty.await()进入等待状态的线程”。
同理,notfull表示“锁的满条件”。当某线程想向队列中插入元素,而此时队列已满时,该线程等待;当其它线程从队列中取出元素之后,就唤醒该等待的线程。
2. 添加
下面以offer(e e)为例,对arrayblockingqueue的添加方法进行说明。
public boolean offer(e e) { // 创建插入的元素是否为null,是的话抛出nullpointerexception异常 checknotnull(e); // 获取“该阻塞队列的独占锁” final reentrantlock lock = this.lock; lock.lock(); try { // 如果队列已满,则返回false。 if (count == items.length) return false; else { // 如果队列未满,则插入e,并返回true。 insert(e); return true; } } finally { // 释放锁 lock.unlock(); } }
说明:offer(e e)的作用是将e插入阻塞队列的尾部。如果队列已满,则返回false,表示插入失败;否则,插入元素,并返回true。
(01) count表示”队列中的元素个数“。除此之外,队列中还有另外两个遍历takeindex和putindex。takeindex表示下一个被取出元素的索引,putindex表示下一个被添加元素的索引。它们的定义如下:
// 队列中的元素个数 int takeindex; // 下一个被取出元素的索引 int putindex; // 下一个被添加元素的索引 int count;
(02) insert()的源码如下:
private void insert(e x) { // 将x添加到”队列“中 items[putindex] = x; // 设置”下一个被取出元素的索引“ putindex = inc(putindex); // 将”队列中的元素个数”+1 ++count; // 唤醒notempty上的等待线程 notempty.signal(); }
insert()在插入元素之后,会唤醒notempty上面的等待线程。
inc()的源码如下:
final int inc(int i) { return (++i == items.length) ? 0 : i; }
若i+1的值等于“队列的长度”,即添加元素之后,队列满;则设置“下一个被添加元素的索引”为0。
3. 取出
下面以take()为例,对arrayblockingqueue的取出方法进行说明。
public e take() throws interruptedexception { // 获取“队列的独占锁” final reentrantlock lock = this.lock; // 获取“锁”,若当前线程是中断状态,则抛出interruptedexception异常 lock.lockinterruptibly(); try { // 若“队列为空”,则一直等待。 while (count == 0) notempty.await(); // 取出元素 return extract(); } finally { // 释放“锁” lock.unlock(); } }
说明:take()的作用是取出并返回队列的头。若队列为空,则一直等待。
extract()的源码如下:
private e extract() { final object[] items = this.items; // 强制将元素转换为“泛型e” e x = this.<e>cast(items[takeindex]); // 将第takeindex元素设为null,即删除。同时,帮助gc回收。 items[takeindex] = null; // 设置“下一个被取出元素的索引” takeindex = inc(takeindex); // 将“队列中元素数量”-1 --count; // 唤醒notfull上的等待线程。 notfull.signal(); return x; }
说明:extract()在删除元素之后,会唤醒notfull上的等待线程。
4. 遍历
下面对arrayblockingqueue的遍历方法进行说明。
public iterator<e> iterator() { return new itr(); }
itr是实现了iterator接口的类,它的源码如下:
private class itr implements iterator<e> { // 队列中剩余元素的个数 private int remaining; // number of elements yet to be returned // 下一次调用next()返回的元素的索引 private int nextindex; // index of element to be returned by next // 下一次调用next()返回的元素 private e nextitem; // element to be returned by next call to next // 上一次调用next()返回的元素 private e lastitem; // element returned by last call to next // 上一次调用next()返回的元素的索引 private int lastret; // index of last element returned, or -1 if none itr() { // 获取“阻塞队列”的锁 final reentrantlock lock = arrayblockingqueue.this.lock; lock.lock(); try { lastret = -1; if ((remaining = count) > 0) nextitem = itemat(nextindex = takeindex); } finally { // 释放“锁” lock.unlock(); } } public boolean hasnext() { return remaining > 0; } public e next() { // 获取“阻塞队列”的锁 final reentrantlock lock = arrayblockingqueue.this.lock; lock.lock(); try { // 若“剩余元素<=0”,则抛出异常。 if (remaining <= 0) throw new nosuchelementexception(); lastret = nextindex; // 获取第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“线程安全”的队列,而linkedlist是非线程安全的。 * * 下面是“多个线程同时操作并且遍历queue”的示例 * (01) 当queue是arrayblockingqueue对象时,程序能正常运行。 * (02) 当queue是linkedlist对象时,程序会产生concurrentmodificationexception异常。 * * */ public class arrayblockingqueuedemo1{ // todo: queue是linkedlist对象时,程序会出错。 //private static queue<string> queue = new linkedlist<string>(); private static queue<string> queue = new arrayblockingqueue<string>(20); public static void main(string[] args) { // 同时启动两个线程对queue进行操作! 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) { // “线程名” + "-" + "序号" string val = thread.currentthread().getname()+i; queue.add(val); // 通过“iterator”遍历queue。 printall(); } } } }
(某一次)运行结果:
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,
结果说明:如果将源码中的queue改成linkedlist对象时,程序会产生concurrentmodificationexception异常。
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