快速掌握并发编程ArrayBlockingQueue底层原理和实战java

　　背景
　　在JDK1.5 的时候，在新增的 Concurrent 包中，BlockingQueue 很好的解决了多线程中，如何高效安全＂传输＂数据的问题。通过这些高效并且线程安全的队列类，为我们快速搭建高质量的多线程程序带来极大的便利。
　　本文详细介绍了BlockingQueue 家庭中的所有成员，包括他们各自的功能以及常见使用场景。分析ArrayBlockingQueue 的底层源码分析。
　　BlockingQueue 简介
　　阻塞队列，顾名思义，首先它是一个队列，而一个队列在数据结构中所起的作用大致如下图所示：
　　从上图我们可以很清楚看到，通过一个共享的队列，可以使得数据由队列的一端输入，从另外一端输出。
　　常用的队列主要有以下两种：（当然通过不同的实现方式，还可以延伸出很多不同类型的队列，DelayQueue 就是其中的一种）
　　先进先出（FIFO）：先插入的队列的元素也最先出队列，类似于排队的功能。从某种程度上来说这种队列也体现了一种公平性。
　　后进先出（LIFO）：后插入队列的元素最先出队列，这种队列优先处理最近发生的事件。
　　下面两幅图演示了BlockingQueue 的两个常见阻塞场景：
　　如上图所示：当队列中没有数据的情况下，消费者端的所有线程都会被自动阻塞（挂起），直到有数据放入队列。
　　如上图所示：当队列中填满数据的情况下，生产者端的所有线程都会被自动阻塞（挂起），直到队列中有空的位置，线程被自动唤醒。
　　这也是我们在多线程环境下，为什么需要BlockingQueue 的原因。作为BlockingQueue 的使用者，我们再也不需要关心什么时候需要阻塞线程，什么时候需要唤醒线程，因为这一切BlockingQueue 都给你一手包办了。
　　既然BlockingQueue 如此神通广大，让我们一起来见识下它的常用方法：
　　BlockingQueue 的核心方法
　　添加数据：
　　offer(anObject)：表示如果可能的话，将 anObject 加到 BlockingQueue 里，即如果 BlockingQueue 可以容纳，则返回 true，否则返回 false。（本方法不阻塞当前执行方法的线程）
　　offer(E o, long timeout, TimeUnit unit)：可以设定等待的时间，如果在指定的时间内，还不能往队列中加入 BlockingQueue，则返回失败。
　　put(anObject)：把 anObject 加到 BlockingQueue 里，如果 BlockingQueue 没有空间,则调用此方法的线程被阻断，直到 BlockingQueue 里面有空间再继续。
　　获取数据：
　　poll(time)：取走 BlockingQueue 里排在首位的对象,若不能立即取出，则可以等 time 参数规定的时间，取不到时返回 null。
　　poll(long timeout, TimeUnit unit)：从 BlockingQueue 取出一个队首的对象，如果在指定时间内，队列一旦有数据可取，则立即返回队列中的数据。否则知道时间超时还没有数据可取，返回失败。
　　take()：取走 BlockingQueue 里排在首位的对象，若 BlockingQueue 为空，阻断进入等待状态直到 BlockingQueue 有新的数据被加入。
　　drainTo()：一次性从 BlockingQueue 获取所有可用的数据对象（还可以指定获取数据的个数）， 通过该方法，可以提升获取数据效率；不需要多次分批加锁或释放锁。
　　常见 BlockingQueue
　　在了解了 BlockingQueue 的基本功能后，让我们来看看BlockingQueue 家庭大致有哪些成员？
　　ArrayBlockingQueue 源码分析
　　构造方法
　　在ArrayBlockingQueue 中有三个构造方法，常用这两种，另外的这里就不说了，没多意义。
　　//创造一个队列，指定队列容量就可以了，默认模式为非公平模式 public ArrayBlockingQueue(int capacity) {         this(capacity, false); } ////创造一个队列，指定队列容量和指定公平性 public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {         if (capacity <= 0)             throw new IllegalArgumentException();         this.items = new Object[capacity];         //这里用的就是重入锁，         //公平性通过fair来判断         lock = new ReentrantLock(fair);         //不为空条件队列，明显就是给消费者用         notEmpty = lock.newCondition();         //没有满条件队列，给生产者用         notFull =  lock.newCondition(); }
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　　重要属性
　　//底层数据结构，说明底层存储数据的数据结构是数组 private final E[] items; //用来为下一个take/poll/remove的索引（出队） private int takeIndex; //用来为下一个put/offer/add的索引（入队） private int putIndex; //队列中元素的个数 private int count; /** Main lock guarding all access */    private final ReentrantLock lock;//锁 /** Condition for waiting takes */ private final Condition notEmpty;//等待出队的条件 /** Condition for waiting puts */ private final Condition notFull;//等待入队的条件
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　　从这几个属性就能看出来，ArrayBlockingQueue 的底层组成为：
　　数组一个重入锁两个条件队列
　　入队
　　add()方法
　　public boolean add(E e) {     // 调用父类的add(e)方法     return super.add(e); } public boolean add(E e) {     // 调用offer(e)如果成功返回true，如果失败抛出异常     if (offer(e))         return true;     else         throw new IllegalStateException(＂Queue full＂); }
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　　offer(e)方法入队
　　入参 e 为 null，会抛空指针异常
　　元素插入到队尾（putIndex 自增）
　　唤醒线程
　　生产者消费者模式
　　/**  * 在队尾插入一个元素，  * 如果队列没满，立即返回true；  * 如果队列满了，立即返回false  * 注意：该方法通常优于add(),因为add()失败直接抛异常  */ public boolean offer(E e) {     //检查存入的数据是否为null     checkNotNull(e);             final ReentrantLock lock = this.lock;     lock.lock();             try {                     //如果数组满了，返回入队失败          if (count == items.length)                             return false;                     else {                             //入队              enqueue(e);                             return true;                     }             } finally {                     lock.unlock();             } } //如果存入的数据是null的会抛控指针异常  private static void checkNotNull(Object v) {             if (v == null)   throw new NullPointerException();     } //putIndex是int类型，默认值就是0 private void enqueue(E x) {             final Object[] items = this.items;             //从下标为0的位置开始放入数据      items[putIndex] = x;             //如果putIndex等于数组大小，证明这是最后一个能存放的，然后把putIndex设置为0      //否则++putIndex      if (++putIndex == items.length){                     putIndex = 0;             }     //放入数据个数+1     count++;      /**       * 唤醒一个线程       * 如果有任意一个线程正在等待这个条件，那么选中其中的一个区唤醒。       * 在从等待状态被唤醒之前，被选中的线程必须重新获得锁       */     notEmpty.signal(); }
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　　带超时时间的 offer，在队尾插入一个元素,，如果数组已满，则进入等待，直到出现以下三种情况：-->阻塞
　　被唤醒
　　等待时间超时
　　当前线程被中断
　　put 方法入队
　　public void put(E e) throws InterruptedException {             checkNotNull(e);             final ReentrantLock lock = this.lock;       //加锁，如果线程中断了抛出异常     lock.lockInterruptibly();             try {                     while (count == items.length){                //这里就是阻塞了，要注意。如果运行到这里，             //那么它会释放上面的锁，一直等到唤醒             notFull.await();               }             //放入队列         enqueue(e);             } finally {                     lock.unlock();             } }
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　　小结
　　add(e)时如果队列满了则抛出异常；offer(e)时如果队列满了则返回 false；put(e)时如果队列满了则使用 notFull 等待；offer(e, timeout, unit)时如果队列满了则等待一段时间后如果队列依然满就返回 false；enqueue()利用放指针循环使用数组来存储元素；
　　出队
　　take 方法出队
　　从头部出队
　　队中没有数据，等待被唤醒再取数据。
　　public E take() throws InterruptedException {     final ReentrantLock lock = this.lock;     //加锁，如果线程中断了抛出异常     lock.lockInterruptibly();             try {         //队列中不存元素         while (count == 0){               /*              * 一直等待条件notEmpty，即被其他线程唤醒              * （唤醒其实就是，有线程将一个元素入队了，然后调用notEmpty.signal()              * 唤醒其他等待这个条件的线程，同时队列也不空了）              */             notEmpty.await();         }         //否则出队         return dequeue();             } finally {                     lock.unlock();             }     } private E dequeue() {     final Object[] items = this.items;     // 取取指针位置的元素     E x = (E) items[takeIndex];     // 把取指针位置设为null     items[takeIndex] = null;     // 取指针前移，如果数组到头了就返回数组前端循环利用     if (++takeIndex == items.length)         takeIndex = 0;     // 元素数量减1     count--;     if (itrs != null)         itrs.elementDequeued();     // 唤醒notFull条件     notFull.signal();     return x; }
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　　poll 方法出队
　　太简单了，如果队列里没有数据，就直接返回 null，否则从队列头部出队
　　public E poll() {             final ReentrantLock lock = this.lock;             lock.lock();             try {         //如果队列里没有数据就直接返回null         //否则从队列头部出队         return (count == 0) ? null : dequeue();             } finally {                     lock.unlock();            }    }
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　　remove 方法
　　public E remove() {     // 调用poll()方法出队     E x = poll();     if (x != null)         // 如果有元素出队就返回这个元素         return x;     else         // 如果没有元素出队就抛出异常         throw new NoSuchElementException(); }
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　　小结
　　remove()时如果队列为空则抛出异常；poll()时如果队列为空则返回 null；take()时如果队列为空则阻塞等待在条件 notEmpty 上；poll(timeout, unit)时如果队列为空则阻塞等待一段时间后如果还为空就返回 null；dequeue()利用取指针循环从数组中取元素；
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