LinkedBlockingQueue原理

news2024/11/16 23:45:51

1. 基本的入队出队

public class LinkedBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
        implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
    static class Node<E> {
        E item;
        /**
         * 下列三种情况之一
         * - 真正的后继节点
         * - 自己, 发生在出队时
         * - null, 表示是没有后继节点, 是最后了
         */
        Node<E> next;

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

初始化链表 last = head = new Node<E>(null);Dummy 节点用来占位,item 为 null。

在这里插入图片描述

当一个节点入队 last = last.next = node;

在这里插入图片描述
再来一个节点入队 last = last.next = node;
在这里插入图片描述

出队

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;

h = head

在这里插入图片描述

first = h.next

在这里插入图片描述

h.next = h1

在这里插入图片描述

head = first

在这里插入图片描述

E x = first.item;
first.item = null;
return x;

在这里插入图片描述

2. 加锁分析

高明之处在于用了两把锁和 dummy 节点

  • 用一把锁,同一时刻,最多只允许有一个线程(生产者或消费者,二选一)执行。
  • 用两把锁,同一时刻,可以允许两个线程同时(一个生产者与一个消费者)执行。
    • 消费者与消费者线程仍然串行。
    • 生产者与生产者线程仍然串行。

线程安全分析

  • 当节点总数大于 2 时(包括 dummy 节点),putLock 保证的是 last 节点的线程安全,takeLock 保证的是head 节点的线程安全。两把锁保证了入队和出队没有竞争。
  • 当节点总数等于 2 时(即一个 dummy 节点,一个正常节点)这时候,仍然是两把锁锁两个对象,不会竞争。
  • 当节点总数等于 1 时(就一个 dummy 节点)这时 take 线程会被 notEmpty 条件阻塞,有竞争,会阻塞。
// 用于 put(阻塞) offer(非阻塞)
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();
// 用户 take(阻塞) poll(非阻塞)
private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();

put 操作

    public void put(E e) throws InterruptedException {
        if (e == null) throw new NullPointerException();
        int c = -1;
        Node<E> node = new Node<E>(e);
        final ReentrantLock putLock = this.putLock;
        // count 用来维护元素计数
        final AtomicInteger count = this.count;
        putLock.lockInterruptibly();
        try {
            // 满了等待
            while (count.get() == capacity) {
                // 倒过来读就好: 等待 notFull
                notFull.await();
            }
            // 有空位, 入队且计数加一
            enqueue(node);
            c = count.getAndIncrement();
            // 除了自己 put 以外, 队列还有空位, 由自己叫醒其他 put 线程
            if (c + 1 < capacity)
                notFull.signal();
        } finally {
            putLock.unlock();
        }
        // 如果队列中有一个元素, 叫醒 take 线程
        if (c == 0)
            // 这里调用的是 notEmpty.signal() 而不是 notEmpty.signalAll() 是为了减少竞争
            signalNotEmpty();
    }

take 操作

public E take() throws InterruptedException {
        E x;
        int c = -1;
        final AtomicInteger count = this.count;
        final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
        takeLock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count.get() == 0) {
                notEmpty.await();
            }
            x = dequeue();
            c = count.getAndDecrement();
            if (c > 1)
                notEmpty.signal();
        } finally {
            takeLock.unlock();
        }
        // 如果队列中只有一个空位时, 叫醒 put 线程
        // 如果有多个线程进行出队, 第一个线程满足 c == capacity, 但后续线程 c < capacity
        if (c == capacity)
            // 这里调用的是 notFull.signal() 而不是 notFull.signalAll() 是为了减少竞争
            signalNotFull()
        return x;
    }

由 put 唤醒 put 是为了避免信号不足。

3. 性能比较

主要列举 LinkedBlockingQueue 与 ArrayBlockingQueue 的性能比较

  • Linked 支持有界,Array 强制有界。
  • Linked 实现是链表,Array 实现是数组。
  • Linked 是懒惰的,而 Array 需要提前初始化 Node 数组。
  • Linked 每次入队会生成新 Node,而 Array 的 Node 是提前创建好的。
  • Linked 两把锁,Array 一把锁。

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