ArrayBlockingQueue 是 java.util.concurrent 包下的一个类,它是 BlockingQueue 接口的一个实现。这是一个由数组支持的有界阻塞队列。 队列按照 FIFO (先进先出) 的规则对元素进行排序,队列的头部是在队列中存在时间最长的元素。新的元素插入到队列的尾部,队列检索操作会获取位于队列头部的元素。
原理
- 使用有界阻塞队列,队列中元素先进先出,存取元素操作相互排斥
- 使用静态数组,容量固定,在构建ArrayBlockingQueue时必须指定长度,并且没有扩容机制
- 线程安全使用ReentrantLock来实现,存取的是同一把锁,操作的是同一个数组队形,存取操作相互排斥
- 入队是从队首开始添加元素,并记录putIndex,同时唤醒notEmpty(当putIndex到达队尾时设置为0)
- 出队也是从队首开始取出元素,并记录takeIndex,同时唤醒notFull(当takeIndex到达队尾时设置为0)
注意：两个Index指针都是从队首像队尾移动，保证队列先进先出原则
ArrayBlockingQueue使用独占锁ReentrantLock实现线程安全，入队和出队操作使用同一个锁对象，也就是只能有一个线程可以进行入队或者出队操作；这也就意味着生产者和消费者无法并行操作，在高并发场景下会成为性能瓶颈。
核心属性
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final Object[] items： 这是一个数组，用来保存队列中的元素。
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int takeIndex： 表示下一个要被获取（或"take"）的元素在数组中的位置。如果队列为空，则没有具体的意义。
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int putIndex： 表示下一个要添加（或"put"）的元素在数组中的位置。如果队列已满，则没有具体的意义。
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int count： 表示队列中当前的元素数量。
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final ReentrantLock lock： 重入锁，用于控制对队列的并发访问。
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private final Condition notEmpty： 当队列为空时，获取元素的线程可以在这个条件上等待。
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private final Condition notFull： 当队列已满时，添加元素的线程可以在这个条件上等待。
核心方法
- void put(E e)： 将指定元素插入此队列中，如果队列已满，则阻塞等待可用的空间。
- E take()： 从队列中取出并删除一个元素，如果队列为空，当前线程则会阻塞，直到有元素可以获取。
- boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)： 尝试将元素插入队列，如果队列已满，则等待指定的等待时间。如果在指定的时间内，队列仍然没有可用空间，那么返回 false。如果插入成功，则返回 true。
- E poll(long timeout, TimeUnit unit)： 尝试从队列中获取并删除第一个元素，并等待指定的时间。如果在指定的时间内，队列仍为空，则返回 null。
- int remainingCapacity()： 返回此队列中剩余的可用空间。
入队源码
java
// 添加元素
public void put(E e) throws InterruptedException {
// 检查元素是否为空
checkNotNull(e);
// 获取锁
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 加可中断锁
lock.lockInterruptibly();
try {
// 用while不用if是为了防止虚假唤醒
while (count == items.length) {
// 队列满了，表示已经没有空位了，需要挂起生产者
notFull.await();
}
// 入队
enqueue(e);
} finally {
// 唤醒消费者线程
lock.unlock();
}
}
// 元素入队
private void enqueue(E x) {
// assert lock.getHoldCount() == 1;
// assert items[putIndex] == null;
final Object[] items = this.items;
items[putIndex] = x;
if (++putIndex == items.length) {
// 环形数组实现，putIndex指针到数组尽头了，返回头部
putIndex = 0;
}
count++;
// 条件队列转到同步队列，准备唤醒消费者线程，此时队列中有元素
notEmpty.signal();
}出队源码
java
// 取出元素
public E take() throws InterruptedException {
// 获取锁
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 加可中断锁
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == 0) {
// 队列空了，表示已经没有元素了，需要挂起消费者
notEmpty.await();
}
// 出队
return dequeue();
} finally {
// 唤醒生产者线程
lock.unlock();
}
}
// 元素出队
private E dequeue() {
// assert lock.getHoldCount() == 1;
// assert items[takeIndex] != null;
final Object[] items = this.items;
@SuppressWarnings("unchecked")
E x = (E) items[takeIndex];
items[takeIndex] = null;
if (++takeIndex == items.length) {
// 环形数组，takeIndex 指针到数组尽头了，返回头部
takeIndex = 0;
}
count--;
if (itrs != null) {
itrs.elementDequeued();
}
// notFull条件队列转同步队列，准备唤醒生产者线程，此时队列有空位
notFull.signal();
return x;
}思考：为什么ArrayBlockingQueue对数组操作要设计成双指针？
使用双指针的好处在于可以避免数组的复制操作。
如果使用单指针，每次删除元素时需要将后面的元素全部向前移动，这样会导致时间复杂度为 O(n)。 而使用双指针，我们可以直接将 takeIndex 指向下一个元素，而不需要将其前面的元素全部向前移动。 同样地，插入新的元素时，我们可以直接将新元素插入到 putIndex 所指向的位置，而不需要将其后面的元素全部向后移动。 这样可以使得插入和删除的时间复杂度都是 O(1) 级别，提高了队列的性能。
使用场景
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生产者-消费者模式： ArrayBlockingQueue可以在生产者-消费者模式中使用，这是最常见的一种应用场景。例如，你有一个系统需要处理大量的任务，但是系统的处理能力有限，不能立即处理这些任务。你可以创建一个ArrayBlockingQueue，生产者线程将任务放入队列，消费者线程从队列中取出任务进行处理。当队列已满时，生产者线程会被阻塞，直到队列中有空闲的位置；当队列为空时，消费者线程会被阻塞，直到队列中有新的任务。
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资源池： ArrayBlockingQueue可以用来实现一个固定大小的资源池，例如数据库连接池、线程池等。资源被放入一个ArrayBlockingQueue，需要资源时从队列中取出，用完后再放回队列。当队列为空时，如果还需要资源，则需要等待，直到有资源被放回队列。
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数据流处理： 如果你的系统需要处理一个数据流，例如日志文件、网络数据等，你可以创建一个ArrayBlockingQueue，一个线程负责从数据流中读取数据并放入队列，其他线程从队列中取出数据进行处理。这样可以有效地分离数据读取和数据处理两个环节，提高系统的处理能力。
总的来说，它可以应用在任何需要队列的场景，并且需要队列大小有界，或者需要阻塞操作的场景。