不允許還有Java程式設計師不瞭解BlockingQueue阻塞佇列的實現原理

我們平時開發中好像很少使用到BlockingQueue（阻塞佇列），比如我們想要儲存一組資料的時候會使用ArrayList，想要儲存鍵值對資料會使用HashMap，在什麼場景下需要用到BlockingQueue呢？

1. BlockingQueue的應用場景

當我們處理完一批資料之後，需要把這批資料發給下游方法接著處理，但是下游方法的處理速率不受控制，可能時快時慢。如果下游方法的處理速率較慢，會拖慢當前方法的處理速率，這時候該怎麼辦呢？

你可能想到使用執行緒池，是個辦法，不過需要建立很多執行緒，還要考慮下游方法支不支援並行，如果是CPU密集任務，可能多執行緒比單執行緒處理速度更慢，因為需要頻繁上下文切換。

這時候就可以考慮使用BlockingQueue，BlockingQueue最典型的應用場景就是上面這種生產者-消費者模型。生產者往佇列中放資料，消費者從佇列中取資料，中間使用BlockingQueue做緩衝佇列，也就解決了生產者和消費者速率不同步的問題。

你可能聯想到了訊息佇列（MessageQueue），訊息佇列相當於分散式阻塞佇列，而BlockingQueue相當於本地阻塞佇列，只作用於本機器。對應的是分散式快取（比如：Redis、Memcache）和本地快取（比如：Guava、Caffeine）。

另外很多框架中都有BlockingQueue的影子，比如執行緒池中就用到BlockingQueue做任務的緩衝。訊息佇列中發訊息、拉取訊息的方法也都借鑑了BlockingQueue，使用起來很相似。

今天就一塊深入剖析一下Queue的底層原始碼。

2. BlockingQueue的用法

BlockingQueue的用法非常簡單，就是放資料和取資料。

/**
 * @apiNote BlockingQueue範例
 * @author 一燈架構
 */
public class Demo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 1. 建立佇列，設定容量是10
        BlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<>(10);
        // 2. 往佇列中放資料
        queue.put(1);
        // 3. 從佇列中取資料
        Integer result = queue.take();
    }
}

為了滿足不同的使用場景，BlockingQueue設計了很多的放資料和取資料的方法。

這幾組方法的不同之處就是：

1. 當佇列滿了，再往佇列中放資料，add方法拋異常，offer方法返回false，put方法會一直阻塞（直到有其他執行緒從佇列中取走資料），offer方法阻塞指定時間然後返回false。
2. 當佇列是空，再從佇列中取資料，remove方法拋異常，poll方法返回null，take方法會一直阻塞（直到有其他執行緒往佇列中放資料），poll方法阻塞指定時間然後返回null。
3. 當佇列是空，再去佇列中檢視資料（並不刪除資料），element方法拋異常，peek方法返回null。

工作中使用最多的就是offer、poll阻塞指定時間的方法。

3. BlockingQueue實現類

BlockingQueue常見的有下面5個實現類，主要是應用場景不同。

• ArrayBlockingQueue

  基於陣列實現的阻塞佇列，建立佇列時需指定容量大小，是有界佇列。

• LinkedBlockingQueue

  基於連結串列實現的阻塞佇列，預設是無界佇列，建立可以指定容量大小

• SynchronousQueue

  一種沒有緩衝的阻塞佇列，生產出的資料需要立刻被消費

• PriorityBlockingQueue

  實現了優先順序的阻塞佇列，基於資料顯示，是無界佇列

• DelayQueue

  實現了延遲功能的阻塞佇列，基於PriorityQueue實現的，是無界佇列

4. BlockingQueue原始碼解析

BlockingQueue的5種子類實現方式大同小異，這次就以最常用的ArrayBlockingQueue做原始碼解析。

4.1 ArrayBlockingQueue類屬性

先看一下ArrayBlockingQueue類裡面有哪些屬性：

// 用來存放資料的陣列
final Object[] items;

// 下次取資料的陣列下標位置
int takeIndex;

// 下次放資料的陣列下標位置
int putIndex;

// 當前已有元素的個數
int count;

// 獨佔鎖，用來保證存取資料安全
final ReentrantLock lock;

// 取資料的條件
private final Condition notEmpty;

// 放資料的條件
private final Condition notFull;

ArrayBlockingQueue中4組存取資料的方法實現也是大同小異，本次以put和take方法進行解析。

4.2 put方法原始碼解析

無論是放資料還是取資料都是從隊頭開始，逐漸往隊尾移動。

// 放資料，如果佇列已滿，就一直阻塞，直到有其他執行緒從佇列中取走資料
public void put(E e) throws InterruptedException {
    // 校驗元素不能為空
    checkNotNull(e);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
  	// 加鎖，加可中斷的鎖
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        // 如果佇列已滿，就一直阻塞，直到被喚醒
        while (count == items.length)
            notFull.await();
      	// 如果佇列未滿，就往佇列新增元素
        enqueue(e);
    } finally {
      	// 結束後，別忘了釋放鎖
        lock.unlock();
    }
}

// 實際往佇列新增資料的方法
private void enqueue(E x) {
    // 獲取陣列
    final Object[] items = this.items;
    // putIndex 表示本次插入的位置
    items[putIndex] = x;
    // ++putIndex 計算下次插入的位置
    // 如果本次插入的位置，正好是隊尾，下次插入就從 0 開始
    if (++putIndex == items.length)
        putIndex = 0;
  	// 元素數量加一
    count++;
    // 喚醒因為佇列空等待的執行緒
    notEmpty.signal();
}

原始碼中有個有意思的設計，新增元素的時候如果已經到了隊尾，下次就從隊頭開始新增，相當於做成了一個迴圈佇列。

像下面這樣：

4.3 take方法原始碼

// 取資料，如果佇列為空，就一直阻塞，直到有其他執行緒往佇列中放資料
public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
  	// 加鎖，加可中斷的鎖
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        // 如果佇列為空，就一直阻塞，直到被喚醒
        while (count == 0)
            notEmpty.await();
        // 如果佇列不為空，就從佇列取資料
        return dequeue();
    } finally {
      	// 結束後，別忘了釋放鎖
        lock.unlock();
    }
}

// 實際從佇列取資料的方法
private E dequeue() {
  	// 獲取陣列
    final Object[] items = this.items;
    // takeIndex 表示本次取資料的位置，是上一次取資料時計算好的
    E x = (E) items[takeIndex];
    // 取完之後，就把佇列該位置的元素刪除
    items[takeIndex] = null;
    // ++takeIndex 計算下次取資料的位置
    // 如果本次取資料的位置，正好是隊尾，下次就從 0 開始取資料
    if (++takeIndex == items.length)
        takeIndex = 0;
    // 元素數量減一
    count--;
    if (itrs != null)
        itrs.elementDequeued();
    // 喚醒被佇列滿所阻塞的執行緒
    notFull.signal();
    return x;
}

4.4 總結

1. ArrayBlockingQueue基於陣列實現的阻塞佇列，建立佇列時需指定容量大小，是有界佇列。
2. ArrayBlockingQueue底層採用迴圈佇列的形式，保證陣列位置可以重複使用。
3. ArrayBlockingQueue存取都採用ReentrantLock加鎖，保證執行緒安全，在多執行緒環境下也可以放心使用。
4. 使用ArrayBlockingQueue的時候，預估好佇列長度，保證生產者和消費者速率相匹配。

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