19 LinkedBlockingQueue 源码解析

更新时间：-10-11 17:02:21

从不浪费时间的人，没有工夫抱怨时间不够。

——杰弗逊

引导语

说到队列，大家的反应可能是我从来都没有用过，应该是不重要的 API 吧。如果这么想，那就大错特错了，我们平时使用到的线程池、读写锁、消息队列等等技术和框架，底层原理都是队列，所以我们万万不可轻视队列，队列是很多高级 API 的基础，学好队列，对自己深入 Java 学习非常重要。

本文主要以 LinkedBlockingQueue 队列为例，详细描述一下底层具体的实现。

1 整体架构

LinkedBlockingQueue 中文叫做链表阻塞队列，这个命名很好，从命名上就知道其底层数据结构是链表，并且队列是可阻塞的。接下来，我们就从整体结构上看看 LinkedBlockingQueue。

1.1 类图

首先我们来看下 LinkedBlockingQueue 类图，如下：

从类图中，我们大概可以看出两条路径：

AbstractQueue -> AbstractCollection -> Collection ->Iterable 这条路径依赖，主要是想复用 Collection 和 迭代器的一些操作，这些我们在说集合的时候，都知道这些类是干什么，能干什么，就不细说了；BlockingQueue -> Queue -> Collection，BlockingQueue 和 Queue 是新出来的两个接口，我们重点说一下。

Queue 是最基础的接口，几乎所有的队列实现类都会实现这个接口，该接口定义出了队列的三大类操作：

新增操作：

add 队列满的时候抛出异常；offer 队列满的时候返回 false。

查看并删除操作：

remove 队列空的时候抛异常；poll 队列空的时候返回 null。

只查看不删除操作：

element 队列空的时候抛异常；peek 队列空的时候返回 null。

一共 6 种方法，除了以上分类方法，也可以分成两类：

遇到队列满或空的时候，抛异常，如 add、remove、element；遇到队列满或空的时候，返回特殊值，如 offer、poll、peek。

实际上，这些都比较难记忆。每次需要使用的时候，我都会看会源码，才能想起这个方法是抛异常还是返回特殊值。

BlockingQueue 在 Queue 的基础上加上了阻塞的概念，比如一直阻塞，还是阻塞一段时间。为了方便记忆，我们画一个表格，如下：

PS: remove 方法，BlockingQueue 类注释中定义的是抛异常，但 LinkedBlockingQueue 中 remove 方法实际是返回 false。

从表格中可以看到，在新增和查看并删除两大类操作上，BlockingQueue 增加了阻塞的功能，而且可以选择一直阻塞，或者阻塞一段时间后，返回特殊值。

1.2 类注释

我们看看从 LinkedBlockingQueue 的类注释中能得到那些信息：

基于链表的阻塞队列，其底层的数据结构是链表；链表维护先入先出队列，新元素被放在队尾，获取元素从队头部拿；链表大小在初始化的时候可以设置，默认是 Integer 的最大值；可以使用 Collection 和 Iterator 两个接口的所有操作，因为实现了两者的接口。

1.3 内部构成

LinkedBlockingQueue 内部构成简单来说，分成三个部分：链表存储 + 锁 + 迭代器，我们来看下源码。

// 链表结构 begin//链表的元素static class Node<E> {E item;//当前元素的下一个，为空表示当前节点是最后一个Node<E> next;Node(E x) { item = x; }}//链表的容量，默认 Integer.MAX_VALUEprivate final int capacity;//链表已有元素大小，使用 AtomicInteger，所以是线程安全的private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();//链表头transient Node<E> head;//链表尾private transient Node<E> last;// 链表结构 end// 锁 begin//take 时的锁private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();// take 的条件队列，condition 可以简单理解为基于 ASQ 同步机制建立的条件队列private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();// put 时的锁，设计两把锁的目的，主要为了 take 和 put 可以同时进行private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();// put 的条件队列private final Condition notFull = putLock.newCondition();// 锁 end// 迭代器 // 实现了自己的迭代器private class Itr implements Iterator<E> {………………}

从代码上来看，结构是非常清晰的，三种结构各司其职：

链表的作用是为了保存当前节点，节点中的数据可以是任意东西，是一个泛型，比如说队列被应用到线程池时，节点就是线程，比如队列被应用到消息队列中，节点就是消息，节点的含义主要看队列被使用的场景；锁有 take 锁和 put 锁，是为了保证队列操作时的线程安全，设计两种锁，是为了 take 和 put 两种操作可以同时进行，互不影响。

1.4 初始化

初始化有三种方式：

指定链表容量大小；不指定链表容量大小，默认是 Integer 的最大值；对已有集合数据进行初始化。

源码如下：

// 不指定容量，默认 Integer 的最大值public LinkedBlockingQueue() {this(Integer.MAX_VALUE);}// 指定链表容量大小，链表头尾相等，节点值（item）都是 nullpublic LinkedBlockingQueue(int capacity) {if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();this.capacity = capacity;last = head = new Node<E>(null);}// 已有集合数据进行初始化public LinkedBlockingQueue(Collection<? extends E> c) {this(Integer.MAX_VALUE);final ReentrantLock putLock = this.putLock;putLock.lock(); // Never contended, but necessary for visibilitytry {int n = 0;for (E e : c) {// 集合内的元素不能为空if (e == null)throw new NullPointerException();// capacity 代表链表的大小，在这里是 Integer 的最大值// 如果集合类的大小大于 Integer 的最大值，就会报错// 其实这个判断完全可以放在 for 循环外面，这样可以减少 Integer 的最大值次循环(最坏情况)if (n == capacity)throw new IllegalStateException("Queue full");enqueue(new Node<E>(e));++n;}count.set(n);} finally {putLock.unlock();}}

对于初始化源码，我们说明两点：

初始化时，容量大小是不会影响性能的，只影响在后面的使用，因为初始化队列太小，容易导致没有放多少就会报队列已满的错误；在对给定集合数据进行初始化时，源码给了一个不优雅的示范，我们不反对在每次 for 循环的时候，都去检查当前链表的大小是否超过容量，但我们希望在 for 循环开始之前就做一步这样的工作。举个列子，给定集合大小是 1 w，链表大小是 9k，按照现在代码实现，只能在 for 循环 9k 次时才能发现，原来给定集合的大小已经大于链表大小了，导致 9k 次循环都是在浪费资源，还不如在 for 循环之前就 check 一次，如果 1w > 9k，直接报错即可。

2 阻塞新增

新增有多种方法，如：add、put、offer，三者的区别上文有说。我们拿 put 方法为例，put 方法在碰到队列满的时候，会一直阻塞下去，直到队列不满时，并且自己被唤醒时，才会继续去执行，源码如下：

// 把e新增到队列的尾部。// 如果有可以新增的空间的话，直接新增成功，否则当前线程陷入等待public void put(E e) throws InterruptedException {// e 为空，抛出异常if (e == null) throw new NullPointerException();// 预先设置 c 为 -1，约定负数为新增失败int c = -1;Node<E> node = new Node<E>(e);final ReentrantLock putLock = this.putLock;final AtomicInteger count = this.count;// 设置可中断锁putLock.lockInterruptibly();try {// 队列满了// 当前线程阻塞，等待其他线程的唤醒(其他线程 take 成功后就会唤醒此处被阻塞的线程)while (count.get() == capacity) {// await 无限等待notFull.await();}// 队列没有满，直接新增到队列的尾部enqueue(node);// 新增计数赋值,注意这里 getAndIncrement 返回的是旧值// 这里的 c 是比真实的 count 小 1 的c = count.getAndIncrement();// 如果链表现在的大小 小于链表的容量，说明队列未满// 可以尝试唤醒一个 put 的等待线程if (c + 1 < capacity)notFull.signal();} finally {// 释放锁putLock.unlock();}// c==0，代表队列里面有一个元素// 会尝试唤醒一个take的等待线程if (c == 0)signalNotEmpty();}// 入队，把新元素放到队尾private void enqueue(Node<E> node) {last = last.next = node;}

从源码中我们可以总结以下几点：

往队列新增数据，第一步是上锁，所以新增数据是线程安全的；队列新增数据，简单的追加到链表的尾部即可；新增时，如果队列满了，当前线程是会被阻塞的，阻塞的底层使用是锁的能力，底层实现其它也和队列相关，原理我们在锁章节会说到；新增数据成功后，在适当时机，会唤起 put 的等待线程（队列不满时），或者 take 的等待线程（队列不为空时），这样保证队列一旦满足 put 或者 take 条件时，立马就能唤起阻塞线程，继续运行，保证了唤起的时机不被浪费。

以上就是 put 方法的原理，至于 offer 方法阻塞超过一端时间后，仍未成功，就会直接返回默认值的实现，和 put 方法相比只修改了几行代码，如下截图：

3 阻塞删除

删除的方法也很多，我们主要看两个关键问题：

删除的原理是怎样的；查看并删除和只查看不删除两种的区别是如何实现的。

首先我们来看第一个问题，我们以 take 方法为例，说明一下查看并删除的底层源码：

// 阻塞拿数据public E take() throws InterruptedException {E x;// 默认负数，代表失败int c = -1;// count 代表当前链表数据的真实大小final AtomicInteger count = this.count;final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;takeLock.lockInterruptibly();try {// 空队列时，阻塞，等待其他线程唤醒while (count.get() == 0) {notEmpty.await();}// 非空队列，从队列的头部拿一个出来x = dequeue();// 减一计算，注意 getAndDecrement 返回的值是旧值// c 比真实的 count 大1c = count.getAndDecrement();// 如果队列里面有值，从 take 的等待线程里面唤醒一个。// 意思是队列里面有值啦,唤醒之前被阻塞的线程if (c > 1)notEmpty.signal();} finally {// 释放锁takeLock.unlock();}// 如果队列空闲还剩下一个，尝试从 put 的等待线程中唤醒一个if (c == capacity)signalNotFull();return x;}// 队头中取数据private E dequeue() {Node<E> h = head;Node<E> first = h.next;h.next = h; // help GChead = first;E x = first.item;first.item = null;// 头节点指向 null，删除return x;}

整体流程和 put 很相似，都是先上锁，然后从队列的头部拿出数据，如果队列为空，会一直阻塞到队列有值为止。

而查看不删除元素更加简单，直接把队列头的数据拿出来即可，我们以 peek 为例，源码如下：

// 查看并不删除元素，如果队列为空，返回 nullpublic E peek() {// count 代表队列实际大小，队列为空，直接返回 nullif (count.get() == 0)return null;final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;takeLock.lock();try {// 拿到队列头Node<E> first = head.next;// 判断队列头是否为空，并返回if (first == null)return null;elsereturn first.item;} finally {takeLock.unlock();}}

可以看出，查看并删除，和查看不删除两者从队头拿数据的逻辑不太一致，从而导致一个会删除，一个不会删除队头数据。

4 总结

本文通过 LinkedBlockingQueue 的源码，来介绍了下链表队列，当队列满和空的场景下，新增和删除数据时，队列有啥变化。

队列本身就是一个阻塞工具，我们可以把这个工具应用到各种阻塞场景中，比如说队列应用到线程池，当线程池跑满时，我们把新的请求都放到阻塞队列中等待；队列应用到消息队列，当消费者处理能力有限时，我们可以把消息放到队列中等待，让消费者慢慢消费；每应用到一个新的场景中，都是一个新的技术工具，所以学好队列，用处很大。