LinkedBlockingQueue源碼解析

上一篇博客，我們介紹了ArrayBlockQueue，知道了它是基於數組實現的有界阻塞隊列，既然有基於數組實現的，那麼一定有基於鏈表實現的隊列了，沒錯，當然有，這就是我們今天的主角：LinkedBlockingQueue。ArrayBlockQueue是有界的，那麼LinkedBlockingQueue是有界還是無界的呢？我覺得可以說是有界的，也可以說是無界的，爲什麼這麼說呢？看下去你就知道了。

和上篇博客一樣，我們還是先看下LinkedBlockingQueue的基本應用，然後解析LinkedBlockingQueue的核心代碼。

LinkedBlockingQueue基本應用

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        LinkedBlockingQueue<Integer> linkedBlockingQueue = new LinkedBlockingQueue();

        linkedBlockingQueue.add(15);
        linkedBlockingQueue.add(60);
        linkedBlockingQueue.offer(50);
        linkedBlockingQueue.put(100);

        System.out.println(linkedBlockingQueue);

        System.out.println(linkedBlockingQueue.size());

        System.out.println(linkedBlockingQueue.take());
        System.out.println(linkedBlockingQueue);

        System.out.println(linkedBlockingQueue.poll());
        System.out.println(linkedBlockingQueue);

        System.out.println(linkedBlockingQueue.peek());
        System.out.println(linkedBlockingQueue);

        System.out.println(linkedBlockingQueue.remove(50));
        System.out.println(linkedBlockingQueue);
    }

運行結果：

[15, 60, 50, 100]
4
15
[60, 50, 100]
60
[50, 100]
50
[50, 100]
true
[100]

代碼比較簡單，先試着分析下：

創建了一個LinkedBlockingQueue 。
分別使用add/offer/put方法向LinkedBlockingQueue中添加元素，其中add方法執行了兩次。
打印出LinkedBlockingQueue：[15, 60, 50, 100]。
打印出LinkedBlockingQueue的size：4。
使用take方法彈出第一個元素，並打印出來：15。
打印出LinkedBlockingQueue：[60, 50, 100]。
使用poll方法彈出第一個元素，並打印出來：60。
打印出LinkedBlockingQueue：[50, 100]。
使用peek方法彈出第一個元素，並打印出來：50。
打印出LinkedBlockingQueue：[50, 10]。
使用remove方法，移除值爲50的元素，返回true。
打印出LinkedBlockingQueue：100。

代碼比較簡單，但是還是有些細節不明白：

底層是如何保證線程安全性的?
數據保存在哪裏，以什麼形式保存的?
offer/add/put都是往隊列裏面添加元素，區別是什麼？
poll/take/peek都是彈出隊列的元素，區別是什麼？

要解決上面的疑問，最好的途徑還是看源碼，下面我們就來看看LinkedBlockingQueue的核心源碼。

LinkedBlockingQueue源碼解析

構造方法

LinkedBlockingQueue提供了三個構造方法，如下圖所示：

我們一個一個來分析。

LinkedBlockingQueue()

    public LinkedBlockingQueue() {
        this(Integer.MAX_VALUE);
    }

無參的構造方法竟然直接把“鍋”甩出去了，甩給了另外一個構造方法，但是我們要注意傳的參數：Integer.MAX_VALUE。

LinkedBlockingQueue(int capacity)

    public LinkedBlockingQueue(int capacity) {
        if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
        this.capacity = capacity;
        last = head = new Node<E>(null);
    }

判斷傳入的capacity是否合法，如果不大於0，直接拋出異常。
把傳入的capacity賦值給capacity。
新建一個Node節點，並且把此節點賦值給head和last字段。

這個capacity是什麼呢？如果大家對代碼有一定的感覺的話，應該很容易猜到這是LinkedBlockingQueue的最大容量。如果我們調用無參的構造方法來創建LinkedBlockingQueue的話，那麼它的最大容量就是Integer.MAX_VALUE，我們把它稱爲“無界”，但是我們也可以指定最大容量，那麼此隊列又是一個“有界”隊列了，所以有些博客很草率的說LinkedBlockingQueue是有界隊列，或者是無界隊列，個人認爲這是不嚴謹的。

我們再來看看這個Node是個什麼鬼：

    static class Node<E> {
        E item;

        Node<E> next;

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

是不是有一種莫名的親切感，很明顯，這是單向鏈表的實現呀，next指向的就是下一個Node。

LinkedBlockingQueue(Collection<? extends E> c)

    public LinkedBlockingQueue(Collection<? extends E> c) {
        this(Integer.MAX_VALUE);//調用第二個構造方法，傳入的capacity是Int的最大值，可以說 是一個無界隊列。
        final ReentrantLock putLock = this.putLock;
        putLock.lock(); //開啓排他鎖
        try {
            int n = 0;//用於記錄LinkedBlockingQueue的size
            //循環傳入的c集合
            for (E e : c) {
                if (e == null)//如果e==null，則拋出空指針異常
                    throw new NullPointerException();
                if (n == capacity)//如果n==capacity，說明到了最大的容量，則拋出“Queue full”異常
                    throw new IllegalStateException("Queue full");
                enqueue(new Node<E>(e));//入隊操作
                ++n;//n自增
            }
            count.set(n);//設置count
        } finally {
            putLock.unlock();//釋放排他鎖
        }
    }

調用第二個構造方法，傳入了int的最大值，所以可以說此時LinkedBlockingQueue是無界隊列。
開啓排他鎖putLock 。
定義了一個變量n，用來記錄當前LinkedBlockingQueue的size。
循環傳入的集合，如果其中的元素爲null，則拋出空指針異常，如果n==capacity，說明到了最大的容量，則拋出“Queue full”異常，否則執行enqueue操作來進行入隊，然後n進行自增。
設置count爲n，由此可知，count就是LinkedBlockingQueue的size了。
在finally中釋放排他鎖putLock 。

offer

    public boolean offer(E e) {
        if (e == null) throw new NullPointerException();//如果傳入的元素爲NULL，拋出異常
        final AtomicInteger count = this.count;//取出count
        if (count.get() == capacity)//如果count==capacity，說明到了最大容量，直接返回false
            return false;
        int c = -1;//表示size
        Node<E> node = new Node<E>(e);//新建Node節點
        final ReentrantLock putLock = this.putLock;
        putLock.lock();//開啓排他鎖
        try {
            if (count.get() < capacity) {//如果count<capacity，說明還沒有達到最大容量
                enqueue(node);//入隊操作
                c = count.getAndIncrement();//獲得count，賦值給c後完成自增操作
                if (c + 1 < capacity)//如果c+1 <capacity，說明還有剩餘的空間，喚醒因爲調用notFull的await方法而被阻塞的線程
                    notFull.signal();
            }
        } finally {
            putLock.unlock();//在finally中釋放排他鎖
        }
        if (c == 0)//如果c==0，說明釋放putLock的時候，隊列中有一個元素，則調用signalNotEmpty
            signalNotEmpty();
        return c >= 0;
    }

如果傳進來的元素爲null，則拋出異常。
把本類實例的count賦值給局部變量count。
如果count==capacity，說明到了最大的容量，直接返回false。
定義局部變量c，用來表示size，初始值是-1。
新建Node節點。
開啓排他鎖putLock。
如果count>=capacity，說明到了最大的容量，釋放排他鎖後，返回false，因爲此時c=-1，c>=0爲false；如果count<capacity，說明還有剩餘空間，繼續往下執行。這裏需要思考一個問題，爲什麼第三步已經判斷過了是否還有剩餘空間，這裏還要再判斷一次呢？因爲可能有多個線程都在執行add/offer/put方法，當隊列沒有滿的時候，多個線程同時執行到第三步（第三步的時候還沒有開啓排他鎖），然後同時往下走，所以開啓排他鎖後，還需要重新判斷下。
執行入隊操作。
獲得count，並且賦值給c後，完成自增的操作。注意，是先賦值後自增，賦值和自增的先後順序會直接影響到後面的判斷邏輯。
如果c+1<capacity，說明還有剩餘的空間，喚醒因爲調用notFull的await方法而被阻塞的線程。這裏爲什麼要+1再進行判斷？因爲在第9步中，是先賦值後自增，也就是說局部變量c保存的還是入隊之前LinkedBlockingQueue的size，所以要先進行+1操作，得到的纔是當前LinkedBlockingQueue的size。
在finally中，釋放排他鎖putLock。
如果c==0，說明在釋放putLock排他鎖的時候，隊列中有且只有一個元素，則調用signalNotEmpty方法。讓我們來看看signalNotEmpty方法：

    private void signalNotEmpty() {
        final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
        takeLock.lock();
        try {
            notEmpty.signal();
        } finally {
            takeLock.unlock();
        }
    }

代碼比較簡單，就是開啓排他鎖，喚醒因爲調用notEmpty的await方法而被阻塞的線程，但是這裏需要注意，這裏獲得的排他鎖已經不再是putLock，而是takeLock。

add

    public boolean add(E e) {
        if (offer(e))
            return true;
        else
            throw new IllegalStateException("Queue full");
    }

add方法直接調用了offer方法，但是add和offer還不完全一樣，當隊列滿了，如果調用offer方法，會直接返回false，但是調用add方法，會拋出"Queue full"的異常。

put

    public void put(E e) throws InterruptedException {
        if (e == null) throw new NullPointerException();//如果傳入的元素爲NULL，拋出異常
        int c = -1;//表示size
        Node<E> node = new Node<E>(e);//新建Node節點
        final ReentrantLock putLock = this.putLock;
        final AtomicInteger count = this.count;//獲得count
        putLock.lockInterruptibly();//開啓排他鎖
        try {
            //如果到了最大容量，調用notFull的await方法，等待喚醒，用while循環，是爲了防止虛假喚醒
            while (count.get() == capacity) {
                notFull.await();
            }
            enqueue(node);//入隊
            c = count.getAndIncrement();//count先賦值給c後，再進行自增操作
            if (c + 1 < capacity)//如果c+1<capacity，調用notFull的signal方法，喚醒因爲調用notFull的await方法而被阻塞的線程
                notFull.signal();
        } finally {
            putLock.unlock();//釋放排他鎖
        }
        if (c == 0)//如果隊列中有一個元素，喚醒因爲調用notEmpty的await方法而被阻塞的線程
            signalNotEmpty();
    }

如果傳入的元素爲NULL，則拋出異常。
定義一個局部變量c，來表示size，初始值是-1。
新建Node節點。
把本類實例中的count賦值給局部變量count。
開啓排他鎖putLock。
如果到了最大容量，則調用notFull的await方法，阻塞當前線程，等待其他線程調用notFull的signal方法來喚醒自己，這裏用while循環是爲了防止虛假喚醒。
執行入隊操作。
count先賦值給c後，再進行自增操作。
如果c+1<capacity，說明還有剩餘的空間，則調用notFull的signal方法，喚醒因爲調用notFull的await方法而被阻塞的線程。
釋放排他鎖putLock。
如果隊列中有且只有一個元素，喚醒因爲調用notEmpty的await方法而被阻塞的線程。

enqueue

    private void enqueue(Node<E> node) {
        last = last.next = node;
    }

入隊操作是不是特別簡單，就是把傳入的Node節點，賦值給last節點的next字段，再賦值給last字段，從而形成一個單向鏈表。

小總結

至此offer/add/put的核心源碼已經分析完畢，我們來做一個小總結，offer/add/put都是添加元素的方法，不過他們之間還是有所區別的，當隊列滿了，調用以上三個方法會出現不同的情況：

offer：直接返回false。
add：雖然內部也調用了offer方法，但是隊列滿了，會拋出異常。
put：線程會阻塞住，等待喚醒。

size

    public int size() {
        return count.get();
    }

沒什麼好說的，count記錄着LinkedBlockingQueue的size，獲得後返回就是了。

take

    public E take() throws InterruptedException {
        E x;
        int c = -1;//size
        final AtomicInteger count = this.count;//獲得count
        final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
        takeLock.lockInterruptibly();//開啓排他鎖
        try {
            while (count.get() == 0) {//說明目前隊列中沒有數據
                notEmpty.await();//阻塞，等待喚醒
            }
            x = dequeue();//出隊
            c = count.getAndDecrement();//先賦值，後自減
            if (c > 1)//如果size>1，說明在出隊之前，隊列中有至少兩個元素
                notEmpty.signal();//喚醒因爲調用notEmpty的await方法而被阻塞的線程
        } finally {
            takeLock.unlock();//釋放排他鎖
        }
        if (c == capacity)//如果隊列中還有一個剩餘空間
            signalNotFull();
        return x;
    }

定義局部變量c，用來表示size，初始值是-1。
把本類實例的count字段賦值給臨時變量count。
開啓響應中斷的排他鎖takeLock 。
如果count==0，說明目前隊列中沒有數據，就阻塞當前線程，等待喚醒，直到其他線程調用了notEmpty的signal方法喚醒了當前線程。用while循環是爲了防止虛假喚醒。
進行出隊操作。
count先賦值給c後，在進行自減操作，這裏需要注意是先賦值，後自減。
如果c>1，也就是size>1，結合上面的先賦值，後自減，可知如果滿足條件，說明在出隊之前，隊列中至少有兩個元素，則調用notEmpty的signal方法，喚醒因爲調用notEmpty的await方法而被阻塞的線程。
釋放排他鎖takeLock 。
如果執行出隊後，隊列中有且只有一個剩餘空間，換個說法，就是執行出隊操作前，隊列是滿的，則調用signalNotFull方法。

我們再來看下signalNotFull方法：

    private void signalNotFull() {
        final ReentrantLock putLock = this.putLock;
        putLock.lock();
        try {
            notFull.signal();
        } finally {
            putLock.unlock();
        }
    }

開啓排他鎖，注意這裏的排他鎖是putLock 。
調用notFull的signal方法，喚醒因爲調用notFull的await方法而被阻塞的線程。
釋放排他鎖putLock 。

poll

    public E poll() {
        final AtomicInteger count = this.count;
        if (count.get() == 0)
            return null;
        E x = null;
        int c = -1;
        final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
        takeLock.lock();
        try {
            if (count.get() > 0) {
                x = dequeue();
                c = count.getAndDecrement();
                if (c > 1)
                    notEmpty.signal();
            }
        } finally {
            takeLock.unlock();
        }
        if (c == capacity)
            signalNotFull();
        return x;
    }

相比take方法，最大的區別就如果隊列爲空，執行take方法會阻塞當前線程，直到被喚醒，而poll方法，直接返回null。

peek

    public E peek() {
        if (count.get() == 0)
            return null;
        final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
        takeLock.lock();
        try {
            Node<E> first = head.next;
            if (first == null)
                return null;
            else
                return first.item;
        } finally {
            takeLock.unlock();
        }
    }

peek方法，只是拿到頭節點的值，但是不會移除該節點。

dequeue

   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;
    }

沒什麼好說的，就是彈出元素，並且移除彈出的元素。

小總結

至此take/poll/peek的核心源碼已經分析完畢，我們來做一個小總結，take/poll/peek都是獲得頭節點值的方法，不過他們之間還是有所區別的：

take：當隊列爲空，會阻塞當前線程，直到被喚醒。會進行出隊操作，移除獲得的節點。
poll：當隊列爲空，直接返回null。會進行出隊操作，移除獲得的節點。
put：當隊列爲空，直接返回null。不會移除節點。

LinkedBlockingQueue的核心源碼分析到這裏完畢了，謝謝大家。

LinkedBlockingQueue源碼解析

LinkedBlockingQueue基本應用

LinkedBlockingQueue源碼解析

構造方法

LinkedBlockingQueue()

LinkedBlockingQueue(int capacity)

LinkedBlockingQueue(Collection<? extends E> c)

offer

add

put

enqueue

小總結

size

take

poll

peek

dequeue

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