前往小程序,Get更优阅读体验!
立即前往
首页
学习
活动
专区
工具
TVP
发布
社区首页 >专栏 >JDK容器学习之Queue:LinkedBlockingQueue

JDK容器学习之Queue:LinkedBlockingQueue

作者头像
一灰灰blog
发布2018-02-06 16:19:32
7500
发布2018-02-06 16:19:32
举报
文章被收录于专栏:小灰灰

基于链表阻塞队列LinkedBlockingQueue

基于链表的无边界阻塞队列,常用与线程池创建中作为任务缓冲队列使用

I. 底层数据结构

先看一下内部定义,与 ArrayBlockingQueue做一下对比,顺带看下这两者的区别及不同的应用场景

代码语言:javascript
复制
/** 队列的容量, or Integer.MAX_VALUE if none */
private final int capacity;

/** 队列中实际的个数 */
private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();

/**
 * 队列头,但其中没有有效数据,它的下一个才保存实际的数据
 * Head of linked list.
 * Invariant: head.item == null
 */
transient Node<E> head;

/**
 * 队列尾,其内包含有效的数据
 * Invariant: last.next == null
 */
private transient Node<E> last;

/** 出队的锁, etc */
private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();

/** Wait queue for waiting takes */
private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();

/** 进队的锁, etc */
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();

/** Wait queue for waiting puts */
private final Condition notFull = putLock.newCondition();


static class Node<E> {
  // 存放在队列中的数据; 队列头的item为null
  E item;
  
  // 队列中,该节点的下一个节点,队列尾的next为null
  Node<E> next;

  Node(E x) { item = x; }
}

说明

  1. 底层结构为单向链表,其中队列头不包含有效数据;
  2. 队列长度有界,为初始化时指定的容量大小;没指定时,默认为int最大值
  3. count实时表示队列中元素的个数,采用原子进行+/-1
  4. 进队和出队是两个锁,也就是说出队和进队可以并发进行

对比下ArrayBlockingQueue,主要区别为两个地方

  1. LinkedBlockingQueue底层为链表;ArrayBlockingQueue底层为数组(貌似有点多余,命名上就可以看出)
  2. LinkedBlockingQueue出队和入队是两个锁,而ArrayBlockingQueue是一个锁进行控制;即前者出队和入队可以并发执行;而后者会出现锁的竞争

II. 阻塞实现原理

0. Prefer

分析阻塞原理之前,先通过注释解释下LinkedBlockingQueue的使用场景

  • 先进先出队列(队列头的是最先进队的元素;队列尾的是最后进队的元素)
  • 有界队列(即初始化时指定的容量,就是队列最大的容量,不会出现扩容,容量满,则阻塞进队操作;容量空,则阻塞出队操作)
  • 队列不支持空元素
1. 进队
代码语言:javascript
复制
public void put(E e) throws InterruptedException {
    // 队列中不能存在null
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    
    int c = -1;
    Node<E> node = new Node<E>(e);
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    final AtomicInteger count = this.count;
    putLock.lockInterruptibly();
    try {
        // 若队列已满,则等待`notFull(出队后,队列未满时).signal()`唤醒
        while (count.get() == capacity) {
            notFull.await();
        }
        enqueue(node); // 进队
        c = count.getAndIncrement(); // 计数+1,并获取队列的实际元素个数
        if (c + 1 < capacity) // 若进队后,队列依然没有满,则释放一个信号 (why?)
            notFull.signal();
    } finally {
        putLock.unlock();
    }
    if (c == 0) // 表示队列从空到有一个数据,唤醒因为队列为空被阻塞的线程
        signalNotEmpty();
}
private void enqueue(Node<E> node) {
    // assert putLock.isHeldByCurrentThread();
    // assert last.next == null;
    last = last.next = node;
}
// 唤醒阻塞的出队线程,注意使用姿势,Condition的使用必须放在对应的锁中间,否则会报错
private void signalNotEmpty() {
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    takeLock.lock();
    try {
        notEmpty.signal();
    } finally {
        takeLock.unlock();
    }
}

进队逻辑:

  1. null不允许入队
  2. 加入队锁
  3. 判断队列是否已满,若是,则阻塞线程
  4. 待其他线程出队时被唤醒,将元素挂在队列尾
  5. 如果队列之前为空,此时入队成功之后,需要执行 notEmpty.singal(),唤醒因为队列空被阻塞的出队线程
2. 出队
代码语言:javascript
复制
public E take() throws InterruptedException {
    E x;
    int c = -1;
    final AtomicInteger count = this.count;
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    takeLock.lockInterruptibly();
    try {
        // 如果队列为空,则阻塞,等待入队之后,被唤醒
        while (count.get() == 0) {     notEmpty.await(); }
        x = dequeue(); // 进队
        c = count.getAndDecrement();
        if (c > 1) // 如果队列依然非空,则唤醒其他因为队列为空被阻塞的线程
            notEmpty.signal();
    } finally { takeLock.unlock();}
    if (c == capacity) 
    // 原来队列为满的,此时出队一个后,正好非满,唤醒因为队列满被阻塞的线程
        signalNotFull();
    return x;
}
// 出队逻辑,实现逻辑是把出队Node节点设置为新的head,释放老的head节点 
private E dequeue() {
    Node<E> h = head;
    Node<E> first = h.next;
    h.next = h; // help GC
    head = first;
    E x = first.item;
    first.item = null;
    return x;
}

// 唤醒阻塞的出队线程,注意使用姿势,Condition的使用必须放在对应的锁中间,否则会报错
private void signalNotFull() {
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    putLock.lock();
    try {
        notFull.signal();
    } finally {
        putLock.unlock();
    }
}

出队逻辑

  1. 出队锁
  2. 判断队列是否非空,为空时阻塞出队线程
  3. 其他线程入队成功,唤醒因队列为空被阻塞的线程
  4. 若出队之前,队列为满的,则唤醒因为队列满无法入队而阻塞的线程

查看上面的源码时,还发现一个非常有意思的地方,出队成功之后,会判断如果之前的队列中元素的个数大于1(即出队之后,还有元素),会执行notEmpty.signal();,唤醒被阻塞的出队线程,为什么要这么干?

假设一种场景,一个空队列,两个线程(A,B)都执行出队,被阻塞;

代码语言:javascript
复制
此时线程C执行入队,入队完成,因为队列由空到非空,会唤醒一个被阻塞的出队线程(假设为A);

因为出队和入队是可以并发的,现在在线程A执行`c = count.getAndDecrement();`之前,若线程D又入队成功一个,因为此时队列非空,所以不会调用`signalNotEmpty`

现在如果线程A执行出队之后,获取到的c应该为2,如果不执行`notEmpty.signal();`,就会导致线程B一直被阻塞,显然不符合我们的预期
3. 其他方法

除了出队和入队的方法之外,还有几个有意思的方法,如队列中元素以数组形式输出,判断队列是否有元素,这两个操作,都会竞争出队和入队锁,确保在执行这个方法时,队列不会被其他线程修改

代码语言:javascript
复制
public boolean contains(Object o) {
    if (o == null) return false;
    fullyLock();
    try {
        for (Node<E> p = head.next; p != null; p = p.next)
            if (o.equals(p.item))
                return true;
        return false;
    } finally {
        fullyUnlock();
    }
}

public Object[] toArray() {
    fullyLock();
    try {
        int size = count.get();
        Object[] a = new Object[size];
        int k = 0;
        for (Node<E> p = head.next; p != null; p = p.next)
            a[k++] = p.item;
        return a;
    } finally {
        fullyUnlock();
    }
}

III. 经典case

链表阻塞队列的经典使用case,基本上用过线程池就会用到这个了,如jdk中自带的

代码语言:javascript
复制
// java.util.concurrent.Executors
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
    return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                  0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                  new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}

IV. 对比小结

1. 底层结构

ArrayBlockingQueue : 底层存储结构为数组,直接将数据存入数组中

LinkedBlockingQueue : 底层存储结构为单向链表,会将数据封装到Node对象作为链表的节点,且链表头中不包含实际的元素信息

2. 锁的分离

ArrayBlockingQueue : 出队入队公用一把锁,即两者无法并发

LinkedBlockingQueue: 出队和入队各一把锁,因此出队和入队可并发执行

因此在线程池的创建中,一般是使用LinkedBlockingQueue,至少线程在进入等待队列中时,出队和进队不会相互阻塞,但是两者之间有关联

  • 出队时,若队列之前为满队列时,会唤醒因为队列满被阻塞的入队线程
  • 进队时,若队列之前为空队列时,会唤醒因为队列空被阻塞的出队线程
3. 出队和进队的操作不同

ArrayBlockingQueue : 是直接将对象插入或移除

LinkedBlockingQueue: 需要把枚举对象转换为Node<E>进行插入或移除,其中会将出队的Node节点作为新的队列头,返回并置空Node的item元素

4. 队列大小初始化

ArrayBlockingQueue : 必须指定队列的容量

LinkedBlockingQueue: 可以指定队列的容量,不指定时,容量为 Integer.MAX_VALUE

本文参与 腾讯云自媒体同步曝光计划,分享自作者个人站点/博客。
如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

本文分享自 作者个人站点/博客 前往查看

如有侵权,请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

本文参与 腾讯云自媒体同步曝光计划  ,欢迎热爱写作的你一起参与!

评论
登录后参与评论
0 条评论
热度
最新
推荐阅读
目录
  • 基于链表阻塞队列LinkedBlockingQueue
    • I. 底层数据结构
      • II. 阻塞实现原理
        • 0. Prefer
        • 1. 进队
        • 2. 出队
        • 3. 其他方法
      • III. 经典case
        • IV. 对比小结
          • 1. 底层结构
          • 2. 锁的分离
          • 3. 出队和进队的操作不同
          • 4. 队列大小初始化
      相关产品与服务
      容器服务
      腾讯云容器服务(Tencent Kubernetes Engine, TKE)基于原生 kubernetes 提供以容器为核心的、高度可扩展的高性能容器管理服务,覆盖 Serverless、边缘计算、分布式云等多种业务部署场景,业内首创单个集群兼容多种计算节点的容器资源管理模式。同时产品作为云原生 Finops 领先布道者,主导开源项目Crane,全面助力客户实现资源优化、成本控制。
      领券
      问题归档专栏文章快讯文章归档关键词归档开发者手册归档开发者手册 Section 归档