0.ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue的實現原理 · java核心知識整理

`ArrayBlockingQueue`和`LinkedBlockingQueue`是Java中的兩種常用阻塞隊列，它們都實現了`BlockingQueue`接口，但在內部實現和性能特點上有所不同。 ### 1\. `ArrayBlockingQueue`的實現原理 #### 概述 `ArrayBlockingQueue`是一個基于數組的有界阻塞隊列，內部使用一個固定大小的數組來存儲元素。因此，該隊列的容量在創建時必須指定，并且不能動態擴展。它是線程安全的，通常使用一個獨立的鎖來管理生產者和消費者操作。 #### 主要特性 * **有界隊列**：需要在創建時指定容量，隊列滿時插入操作將被阻塞。 * **FIFO順序**：遵循先入先出的原則，即元素按插入順序進行出隊操作。 * **單鎖機制**：使用`ReentrantLock`進行并發控制，條件變量`notEmpty`和`notFull`用于管理阻塞和喚醒機制。 #### 內部結構 * **數組存儲**：內部使用一個固定大小的數組`items`來存放元素。 * **鎖與條件**： * `ReentrantLock`：用于控制對隊列的并發訪問。 * `Condition notEmpty`：用于在隊列為空時阻塞取元素的線程。 * `Condition notFull`：用于在隊列滿時阻塞插入元素的線程。 * **指針**： * `takeIndex`：指向下一個要出隊的元素的位置。 * `putIndex`：指向下一個要插入元素的位置。 * `count`：記錄隊列中元素的數量。 #### 關鍵操作實現 * **插入（put）**： 1. 獲取鎖。 2. 如果隊列滿，調用`notFull.await()`使線程阻塞，直到有空間可插入。 3. 插入元素到`putIndex`位置，并更新`putIndex`和`count`。 4. 釋放鎖，并喚醒等待`notEmpty`條件的線程。 * **取出（take）**： 1. 獲取鎖。 2. 如果隊列空，調用`notEmpty.await()`使線程阻塞，直到有元素可取。 3. 取出元素并將`takeIndex`位置的元素設為`null`，更新`takeIndex`和`count`。 4. 釋放鎖，并喚醒等待`notFull`條件的線程。 #### 性能特點 * **固定容量**：由于數組容量固定，無法擴展，適用于容量已知的場景。 * **鎖競爭**：由于使用單鎖機制，在高并發場景下可能存在鎖競爭，導致性能瓶頸。 ### 2\. `LinkedBlockingQueue`的實現原理 #### 概述 `LinkedBlockingQueue`是一個基于鏈表的有界阻塞隊列，內部使用鏈表結構來存儲元素，支持動態擴展。與`ArrayBlockingQueue`不同，`LinkedBlockingQueue`采用了分離鎖機制（分別鎖住生產者和消費者），從而在高并發場景下表現更好。 #### 主要特性 * **有界隊列**：可以指定容量上限，如果不指定，默認容量為`Integer.MAX_VALUE`。 * **FIFO順序**：同樣遵循先入先出的原則。 * **雙鎖機制**：分別使用`takeLock`和`putLock`來控制出隊和入隊操作，減少鎖競爭。 * **鏈表存儲**：基于鏈表存儲，隊列容量可以動態擴展，理論上可以支持更大的隊列。 #### 內部結構 * **鏈表存儲**：使用內部靜態類`Node`實現的鏈表結構，每個節點存儲一個元素。 * **鎖與條件**： * `ReentrantLock takeLock`：控制對出隊操作的并發訪問。 * `ReentrantLock putLock`：控制對入隊操作的并發訪問。 * `Condition notEmpty`：與`takeLock`關聯，用于在隊列為空時阻塞取元素的線程。 * `Condition notFull`：與`putLock`關聯，用于在隊列滿時阻塞插入元素的線程。 * **指針**： * `head`：指向鏈表的頭節點。 * `last`：指向鏈表的尾節點。 * `count`：記錄隊列中元素的數量。 #### 關鍵操作實現 * **插入（put）**： 1. 獲取`putLock`。 2. 如果隊列滿，調用`notFull.await()`使線程阻塞，直到有空間可插入。 3. 插入元素到鏈表尾部，并更新`last`和`count`。 4. 釋放`putLock`，喚醒等待`notEmpty`條件的線程。 * **取出（take）**： 1. 獲取`takeLock`。 2. 如果隊列空，調用`notEmpty.await()`使線程阻塞，直到有元素可取。 3. 取出鏈表頭部元素，更新`head`和`count`。 4. 釋放`takeLock`，喚醒等待`notFull`條件的線程。 #### 性能特點 * **容量靈活**：可以動態調整容量，適合需要處理大量數據的場景。 * **分離鎖機制**：在高并發場景下，生產者和消費者操作可以并行執行，減少了鎖競爭，提高了性能。 ### 總結 * **ArrayBlockingQueue**適用于場景明確且容量固定的應用，因其使用單鎖機制，在低并發下性能穩定。 * **LinkedBlockingQueue**更適合高并發場景，由于其使用鏈表存儲和分離鎖機制，能夠在處理大量數據時表現出更好的并發性能。根據具體的業務需求，可以選擇合適的阻塞隊列來實現生產者-消費者模型。