java并发面试常识之ArrayBlockingQueue
ArrayBlockingQueue是常用的线程集合,在线程池中也常常被当做任务队列来使用。使用频率特别高。他是维护的是一个循环队列(基于数组实现),循环结构在数据结构中比较常见,但是在源码实现中还是比较少见的。
线程安全的实现
线程安全队列,基本是离不开锁的。ArrayBlockingQueue使用的是ReentrantLock,配合两种Condition,实现了集合的线程安全操作。这里稍微说一个好习惯,下面是成员变量的声明。
private static final long serialVersionUID = -817911632652898426L; final Object[] items; int takeIndex; int putIndex; int count; final ReentrantLock lock; private final Condition notEmpty; private final Condition notFull; transient Itrs itrs = null;
赋值的操作基本都是在构造函数里做的。这样有个好处,代码执行可控。成员变量的初始化也是会合并在构造方法里执行的,但是在执行顺序上需要好好斟酌,如果写在构造方法里初始化,则没有相关问题。
阻塞队列的常用场所就是生产者消费者。一般都是生产者放入,消费者从头取数据。下面重点说这两个操作。
这两个操作都是依靠锁来保证线程安全的。
生产操作
public void put(E e) throws InterruptedException { checkNotNull(e); final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lockInterruptibly(); try { while (count == items.length) notFull.await(); enqueue(e); } finally { lock.unlock(); } }
put等放入操作,首先是获取锁,如果发现数据满了,就通过notFull的condition,来阻塞线程。这里的条件判定一定是用while而不是if,多线程情况下,可以被唤醒后发现又满了。
private void enqueue(E x) { final Object[] items = this.items; items[putIndex] = x; if (++putIndex == items.length) putIndex = 0; count++; notEmpty.signal(); }
这个是入队列的操作。首先获取维护的数组。putindex就是放入操作的标志。这个操作会一直加。达到预定的长度后就变成0从头开始计数。这样插入的操作就是一个循环的操作了,count就是用来做计数的,作为能否插入数据的一个标准,插入数据后就通过notEmpty的condition发出一个信号唤醒消费线程。
消费操作
public E take() throws InterruptedException { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lockInterruptibly(); try { while (count == 0) notEmpty.await(); return dequeue(); } finally { lock.unlock(); } }
消费的方法也是这样。先获取锁,然后进行条件判断,如果没有数据,则阻塞线程。注意点和put一样。
private E dequeue() { final Object[] items = this.items; @SuppressWarnings("unchecked") E x = (E) items[takeIndex]; items[takeIndex] = null; if (++takeIndex == items.length) takeIndex = 0; count--; if (itrs != null) itrs.elementDequeued(); notFull.signal(); return x; }
取数据的时候,也依靠takeIndex,这是一个标志,这个数值也会一直增加,表示取的第一个数据的位置。如果这个标志走到最后,然后变成0,从头再来。这样保证取出的数据都是fifo的顺序。删除的时候如果发现迭代中,则会修改迭代器的遍历。然后通过notFull的condition来唤醒生产线程。
移除操作
public boolean remove(Object o) { if (o == null) return false; final Object[] items = this.items; final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock(); try { if (count > 0) { final int putIndex = this.putIndex; int i = takeIndex; do { if (o.equals(items[i])) { removeAt(i); return true; } if (++i == items.length) i = 0; } while (i != putIndex); } return false; } finally { lock.unlock(); } }
对于remove操作就比较麻烦了,首先获取锁之后,把两个标志位本地化,然后找到要删除的元素的位置。调用removeAt,这里删除需要对标志位做改变。
void removeAt(final int removeIndex) { final Object[] items = this.items; if (removeIndex == takeIndex) { items[takeIndex] = null; if (++takeIndex == items.length) takeIndex = 0; count--; if (itrs != null) itrs.elementDequeued(); } else { final int putIndex = this.putIndex; for (int i = removeIndex;;) { int next = i + 1; if (next == items.length) next = 0; if (next != putIndex) { items[i] = items[next]; i = next; } else { items[i] = null; this.putIndex = i; break; } } count--; if (itrs != null) itrs.removedAt(removeIndex); } notFull.signal(); }
如果删除的元素是位置和takeindex一样。那就可以直接删除,然后让删除标志位向后移动。如果不是,则从删除的位置开始,进行后面向前面的数据覆盖的操作。直到遇到putindex的前一个位置。然后把那个位置的数据设置为null。并且把putindex的位置往前移动一格,正在迭代的时候要删除数据并且唤醒生产线程。
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