阅读ArrayBlockingQueue源码了解如何利用锁实现BlockingQueue

BlockingQueue是多线程里面一个非常重要的数据结构。在面试的时候，也常会被问到怎么实现BlockingQueue。本篇根据Java7里ArrayBlockingQueue的源码，简单介绍一下如何实现一个BlockingQueue。

要实现BlockingQueue，首先得了解最主要的方法：



add()和remove()是最原始的方法，也是最不常用的。原因是，当队列满了或者空了的时候，会抛出IllegalStateException("Queue full")/NoSuchElementException()，并不符合我们对阻塞队列的要求；因此，ArrayBlockingQueue里，这两个方法的实现，直接继承自java.util.AbstractQueue：

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

public E remove() {
E x = poll();
if (x != null)
return x;
else
throw new NoSuchElementException();
}

有上述源码可知，add()和remove()实现的关键，是来自java.util.Queue接口的offer()和poll()方法。

offer()：在队列尾插入一个元素。若成功便返回true，若队列已满则返回false。（This method is generally preferable to method

add(java.lang.Object)

, which can fail to insert an element only by throwing an exception.）

poll()：同理，取出并删除队列头的一个元素。若成功便返回true，若队列为空则返回false。

这里使用的是ReentrantLock，在插入或者取出前，都必须获得队列的锁，以保证同步。

public boolean offer(E e) {
checkNotNull(e);
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
if (count == items.length)
return false;
else {
insert(e);
return true;
}
} finally {
lock.unlock();
}
}

public E poll() {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
return (count == 0) ? null : extract();
} finally {
lock.unlock();
}
}

由于offer()/poll()是非阻塞方法，一旦队列已满或者已空，均会马上返回结果，也不能达到阻塞队列的目的。因此有了put()/take()这两个阻塞方法：

public void put(E e) throws InterruptedException {
checkNotNull(e);
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == items.length)
notFull.await();
insert(e);
} finally {
lock.unlock();
}
}

public E take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == 0)
notEmpty.await();
return extract();
} finally {
lock.unlock();
}
}

put()/take()的实现，比起offer()/poll()复杂了一些，尤其有两个地方值得注意：

1. 取得锁以后，循环判断队列是否已满或者已空，并加上Condition的await()方法将当前正在调用put()的线程挂起，直至notFull.signal()唤起。

2. 这里使用的是lock.lockInterruptibly()而不是lock.lock()。原因在这里。lockInterruptibly()这个方法，优先考虑响应中断，而不是响应普通获得锁或重入获得锁。简单来说就是，由于put()/take()是阻塞方法，一旦有interruption发生，必须马上做出反应，否则可能会一直阻塞。

最后，无论是offer()/poll()还是put()/take()，都要靠insert()/extract()这个私有方法去完成真正的工作：

private void insert(E x) {
items[putIndex] = x;
putIndex = inc(putIndex);
++count;
notEmpty.signal();
}

final int inc(int i) {
return (++i == items.length) ? 0 : i;
}

private E extract() {
final Object[] items = this.items;
E x = this.<E>cast(items[takeIndex]);
items[takeIndex] = null;
takeIndex = inc(takeIndex);
--count;
notFull.signal();
return x;
}

final int dec(int i) {
return ((i == 0) ? items.length : i) - 1;
}

insert()/extract()，是真正将元素放进数组或者将元素从数组取出并删除的方法。由于ArrayBlockingQueue是有界限的队列(Bounded Queue)，因此inc()/dec()方法保证元素不超出队列的界限。另外，每当insert()后，要使用notEmpty.signal()唤起因队列空而等待取出的线程；每当extract()后，同理要使用notFull.signal()唤起因队列满而等待插入的线程。

到此，便将ArrayBlockingQueue的主要的方法粗略介绍了一遍。假设面试时，需要我们自己实现BlockingQueue时，可参考以上的做法，重点放在put()/take()和insert()/extract()方法上，也可将其结合在一起：

class BoundedBuffer {
final Lock lock = new ReentrantLock();
final Condition notFull  = lock.newCondition();
final Condition notEmpty = lock.newCondition();

final Object[] items = new Object[100];
int putptr, takeptr, count;

public void put(Object x) throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while (count == items.length)
notFull.await();
items[putptr] = x;
if (++putptr == items.length) putptr = 0;
++count;
notEmpty.signal();
} finally {
lock.unlock();
}
}

public Object take() throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while (count == 0)
notEmpty.await();
Object x = items[takeptr];
if (++takeptr == items.length) takeptr = 0;
--count;
notFull.signal();
return x;
} finally {
lock.unlock();
}
}
}

最后，由于此文的启示，列举一些使用队列时的错误做法：

1. 忽略offer()的返回值。offer()作为有返回值的方法，可以在判断的时候十分有作用(例如add()的实现)。因此，千万不要忽略offer()方法的返回值。

2. 在循环里使用isEmpty()和阻塞方法：

while(!queue.isEmpty())
{
T element = queue.take();

//Process element.
}

take()是阻塞方法，无需做isEmpty()的判断，直接使用即可。而这种情况很有可能导致死锁，因为由于不断循环，锁会一直被isEmpty()取得(因为size()方法会取得锁)，而生产者无法获得锁。

3. 频繁使用size()方法去记录。size()方法是要取得锁的，意味着这不是一个廉价的方法。可以使用原子变量代替。

本文完