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Java concurrency集合之ArrayBlockingQueue_动力节点Java学院整理

程序员文章站 2023-12-20 14:25:58
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...

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:

Java concurrency集合之ArrayBlockingQueue_动力节点Java学院整理

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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