一文探究ArrayBlockQueue函数及应用场景

这篇文章主要为大家介绍了一文探究ArrayBlockQueue函数及应用场景，有需要的朋友可以借鉴参考下，希望能够有所帮助，祝大家多多进步，早日升职加薪

开篇语

队列在生活中随处可见，医院缴费需要排队、做核酸需要排队、汽车等红绿灯需要排队等等。

队列是一个按照先来到就排在前面，后来到排在后面的数据结构，并且出队的时候也是按照先来到先出队。使用数组和链表进行实现。通常用于协调任务的执行和数据的交换。

介绍

ArrayBlockingQueue 是一个有界阻塞队列，有界指的是队列存在一个最大容量；阻塞指的是如果队列已经满了，想要往队列继续添加元素的话，那么这个操作将会被暂停，直到队列中有空位才会继续完成添加操作。如果队列已经为空，想要从队列中获取元素，那么这个操作将会被暂停，直接队列中存在元素才会继续完成获取操作。

它具有线程安全、性能好、公平锁选项的特点：

线程安全：使用锁和条件变量实现线程安全，无需额外的同步措施。
阻塞操作：当队列满时，插入操作阻塞；当队列空时，删除操作阻塞。这有助于避免忙等待和减少无意义的资源消耗。
公平锁选项：支持是否使用公平锁。避免锁饥饿。
高性能：基于数组实现，内存连续分配，访问性能较高。

但是同时也存在不灵活、无法支撑高并发的缺点

有界性：队列的容量固定，不可动态改变。因此在创建时分配多大容量将成为关键，分配过多会造成资源浪费，分配过少会造成竞争激烈。
锁竞争：在高并发情况下，锁竞争可能会导致性能下降。

实现原理

ArrayBlockingQueue 内部使用数组作为元素的存储结构。

执行存取操作时，都必须先获取锁，才可以执行存取操作，这就保证ArrayBlockingQueue 是线程安全。

ArrayBlockingQueue 通过两个 Condition 条件队列，一个 notFull 条件，一个 notEmpty 条件。在对队列进行插入元素操作时，判断当前队列已经满，则通过 notFull 条件将线程阻塞，直到其他线程通知该线程队列可以继续插入元素。在对队列进行移除元素操作时，判断当前队列已经空，则通过 notEmpty 条件阻塞线程，直到其他线程通过该线程可以继续获取元素。

这样保证线程的存取操作不会出现错误。避免队列在满时，丢弃插入的元素；也避免在队列空时取到一个 null 值。

构造函数

public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) { if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException(); this.items = new Object[capacity]; lock = new ReentrantLock(fair); notEmpty = lock.newCondition(); notFull =  lock.newCondition(); }

构造函数中，需要指定队列的容量和是否使用公平锁。并且创建了两个 Condition 条件队列，分别命名为 notEmpty 和 notFull，这两个条件队列是实现阻塞的关键。

通过构造函数我们可以知道为什么它叫有界：因为创建数组时，需要指定数组的容量，并且数组容量不能在运行中动态扩大。所以队列的容量是有边界的，不是无限扩张的。

插入函数

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

获取锁
判断当前队列是否已经满了
如果队列1已经满了，调用 notFull 条件队列的 await() 方法，将该线程阻塞，暂停该线程的插入操作。避免内部溢出的问题。
如果没有满，则直接调用入队函数 enqueue 插入到队列末尾。
解锁

获取函数

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

获取锁
判断当前队列是否为空
如果队列没有元素，调用 notEmpty 条件队列的 await() 方法，将该线程阻塞，暂停该线程的获取操作。避免获取元素出错。
如果不为空，则直接调用出队函数 dequeue 移除队列第一个元素，并返回给客户端。
释放锁

入队函数

private void enqueue(E e) { final Object[] items = this.items; items[putIndex] = e; if (++putIndex == items.length) putIndex = 0; count++; notEmpty.signal(); }

将元素插入到队列的尾部，在完成插入操作之后会调用 notEmpty 对象的 signal 方法，告诉 notEmpty 阻塞队列，现在队列中已经有元素，之前因为队列没有元素而被阻塞的线程，现在可以来获取元素了。

内部维护一个 putIndex，用于表示下一个将要插入元素的坐标。当 putIndex 等于数组长度时，将会重置为 0。putIndex 是一个从 0 - length 循环使用的坐标。

维护一个 count 变量，用于表示队列中存在多少元素，在存入的时候增加，在取出的时候减少。

出队函数

private E dequeue() { final Object[] items = this.items; @SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) items[takeIndex]; items[takeIndex] = null; if (++takeIndex == items.length) takeIndex = 0; count--; if (itrs != null) itrs.elementDequeued(); notFull.signal(); return e; }

将队列的第一个元素移除，并返回给客户端。在完成移除操作之后会调用 notFull 对象的 signal 方法，告诉 notFull 阻塞队列，现在队列中已经有空位了，之前因为队列没有空位而被阻塞的线程，现在可以继续插入元素。

内部维护一个 takeIndex，用于表示下一个可以获取元素的坐标。当 takeIndex 等于数组长度时，将会重置为 0。takeIndex 是一个从 0 至数组长度之间循环使用的坐标。

应用场景

适用场景

ArrayBlockingQueue 适用于多个线程之间需要共享数据、协调任务执行的场景。因此可以总结出以下几个应用场景：

线程池：线程池是一个常见的并发编程模型，它通过线程池中的线程执行任务。并且可以重复使用这些线程。在线程池中，可以使用 ArrayBlockingQueue 来存储需要执行的任务，以此控制任务数量和执行顺序。当线程池中的线程执行完任务之后，可以从 ArrayBlockingQueue 中取出下一个任务执行。
生产者-消费者：在生产者-消费者模型中，生产者负责生产数据，消费者负责对数据进行处理。在这种模式下，ArrayBlockingQueue 可以作为生产者与消费者之间的数据通道，保证线程安全和数据正确。

实际应用场景

Apache Tomcat Apache Tomcat 是一个流行的 Java Web 应用服务器，它使用 ArrayBlockingQueue 来实现内部的请求队列。当请求到达 Tomcat 时，它们被放入一个 ArrayBlockingQueue 中，并由工作线程从队列中取出并处理请求。
Netty Netty 是一个高性能的网络编程框架，它使用 ArrayBlockingQueue 来实现内部的事件队列。当有新的网络事件到达时，它们被放入一个 ArrayBlockingQueue 中，并由 IO 线程从队列中取出并处理事件。