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LinkedBlockingDeque介绍
LinkedBlockingDeque是双向链表实现的双向并发阻塞队列。该阻塞队列同时支持FIFO和FILO两种操作方式,即可以从队列的头和尾同时操作(插入/删除);并且,该阻塞队列是支持线程安全。
此外,LinkedBlockingDeque还是可选容量的(防止过度膨胀),即可以指定队列的容量。如果不指定,默认容量大小等于Integer.MAX_VALUE。
LinkedBlockingDeque原理和数据结构
LinkedBlockingDeque的数据结构,如下图所示:
说明:
- LinkedBlockingDeque继承于AbstractQueue,它本质上是一个支持FIFO和FILO的双向的队列。
- LinkedBlockingDeque实现了BlockingDeque接口,它支持多线程并发。当多线程竞争同一个资源时,某线程获取到该资源之后,其它线程需要阻塞等待。
- LinkedBlockingDeque是通过双向链表实现的。
- first是双向链表的表头。
- last是双向链表的表尾。
- count是LinkedBlockingDeque的实际大小,即双向链表中当前节点个数。
- capacity是LinkedBlockingDeque的容量,它是在创建LinkedBlockingDeque时指定的。
- lock是控制对LinkedBlockingDeque的互斥锁,当多个线程竞争同时访问LinkedBlockingDeque时,某线程获取到了互斥锁lock,其它线程则需要阻塞等待,直到该线程释放lock,其它线程才有机会获取lock从而获取cpu执行权。
- notEmpty和notFull分别是“非空条件”和“未满条件”。通过它们能够更加细腻进行并发控制。
若某线程(线程A)要取出数据时,队列正好为空,则该线程会执行notEmpty.await()进行等待;当其它某个线程(线程B)向队列中插入了数据之后,会调用notEmpty.signal()唤醒“notEmpty上的等待线程”。此时,线程A会被唤醒从而得以继续运行。 此外,线程A在执行取操作前,会获取takeLock,在取操作执行完毕再释放takeLock。
若某线程(线程H)要插入数据时,队列已满,则该线程会它执行notFull.await()进行等待;当其它某个线程(线程I)取出数据之后,会调用notFull.signal()唤醒“notFull上的等待线程”。此时,线程H就会被唤醒从而得以继续运行。 此外,线程H在执行插入操作前,会获取putLock,在插入操作执行完毕才释放putLock。
LinkedBlockingDeque函数列表
// 创建一个容量为 Integer.MAX_VALUE 的 LinkedBlockingDeque。
LinkedBlockingDeque()
// 创建一个容量为 Integer.MAX_VALUE 的 LinkedBlockingDeque,最初包含给定 collection 的元素,以该 collection 迭代器的遍历顺序添加。
LinkedBlockingDeque(Collection<? extends E> c)
// 创建一个具有给定(固定)容量的 LinkedBlockingDeque。
LinkedBlockingDeque(int capacity)
// 在不违反容量限制的情况下,将指定的元素插入此双端队列的末尾。
boolean add(E e)
// 如果立即可行且不违反容量限制,则将指定的元素插入此双端队列的开头;如果当前没有空间可用,则抛出 IllegalStateException。
void addFirst(E e)
// 如果立即可行且不违反容量限制,则将指定的元素插入此双端队列的末尾;如果当前没有空间可用,则抛出 IllegalStateException。
void addLast(E e)
// 以原子方式 (atomically) 从此双端队列移除所有元素。
void clear()
// 如果此双端队列包含指定的元素,则返回 true。
boolean contains(Object o)
// 返回在此双端队列的元素上以逆向连续顺序进行迭代的迭代器。
Iterator<E> descendingIterator()
// 移除此队列中所有可用的元素,并将它们添加到给定 collection 中。
int drainTo(Collection<? super E> c)
// 最多从此队列中移除给定数量的可用元素,并将这些元素添加到给定 collection 中。
int drainTo(Collection<? super E> c, int maxElements)
// 获取但不移除此双端队列表示的队列的头部。
E element()
// 获取,但不移除此双端队列的第一个元素。
E getFirst()
// 获取,但不移除此双端队列的最后一个元素。
E getLast()
// 返回在此双端队列元素上以恰当顺序进行迭代的迭代器。
Iterator<E> iterator()
// 如果立即可行且不违反容量限制,则将指定的元素插入此双端队列表示的队列中(即此双端队列的尾部),并在成功时返回 true;如果当前没有空间可用,则返回 false。
boolean offer(E e)
// 将指定的元素插入此双端队列表示的队列中(即此双端队列的尾部),必要时将在指定的等待时间内一直等待可用空间。
boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
// 如果立即可行且不违反容量限制,则将指定的元素插入此双端队列的开头,并在成功时返回 true;如果当前没有空间可用,则返回 false。
boolean offerFirst(E e)
// 将指定的元素插入此双端队列的开头,必要时将在指定的等待时间内等待可用空间。
boolean offerFirst(E e, long timeout, TimeUnit unit)
// 如果立即可行且不违反容量限制,则将指定的元素插入此双端队列的末尾,并在成功时返回 true;如果当前没有空间可用,则返回 false。
boolean offerLast(E e)
// 将指定的元素插入此双端队列的末尾,必要时将在指定的等待时间内等待可用空间。
boolean offerLast(E e, long timeout, TimeUnit unit)
// 获取但不移除此双端队列表示的队列的头部(即此双端队列的第一个元素);如果此双端队列为空,则返回 null。
E peek()
// 获取,但不移除此双端队列的第一个元素;如果此双端队列为空,则返回 null。
E peekFirst()
// 获取,但不移除此双端队列的最后一个元素;如果此双端队列为空,则返回 null。
E peekLast()
// 获取并移除此双端队列表示的队列的头部(即此双端队列的第一个元素);如果此双端队列为空,则返回 null。
E poll()
// 获取并移除此双端队列表示的队列的头部(即此双端队列的第一个元素),如有必要将在指定的等待时间内等待可用元素。
E poll(long timeout, TimeUnit unit)
// 获取并移除此双端队列的第一个元素;如果此双端队列为空,则返回 null。
E pollFirst()
// 获取并移除此双端队列的第一个元素,必要时将在指定的等待时间等待可用元素。
E pollFirst(long timeout, TimeUnit unit)
// 获取并移除此双端队列的最后一个元素;如果此双端队列为空,则返回 null。
E pollLast()
// 获取并移除此双端队列的最后一个元素,必要时将在指定的等待时间内等待可用元素。
E pollLast(long timeout, TimeUnit unit)
// 从此双端队列所表示的堆栈中弹出一个元素。
E pop()
// 将元素推入此双端队列表示的栈。
void push(E e)
// 将指定的元素插入此双端队列表示的队列中(即此双端队列的尾部),必要时将一直等待可用空间。
void put(E e)
// 将指定的元素插入此双端队列的开头,必要时将一直等待可用空间。
void putFirst(E e)
// 将指定的元素插入此双端队列的末尾,必要时将一直等待可用空间。
void putLast(E e)
// 返回理想情况下(没有内存和资源约束)此双端队列可不受阻塞地接受的额外元素数。
int remainingCapacity()
// 获取并移除此双端队列表示的队列的头部。
E remove()
// 从此双端队列移除第一次出现的指定元素。
boolean remove(Object o)
// 获取并移除此双端队列第一个元素。
E removeFirst()
// 从此双端队列移除第一次出现的指定元素。
boolean removeFirstOccurrence(Object o)
// 获取并移除此双端队列的最后一个元素。
E removeLast()
// 从此双端队列移除最后一次出现的指定元素。
boolean removeLastOccurrence(Object o)
// 返回此双端队列中的元素数。
int size()
// 获取并移除此双端队列表示的队列的头部(即此双端队列的第一个元素),必要时将一直等待可用元素。
E take()
// 获取并移除此双端队列的第一个元素,必要时将一直等待可用元素。
E takeFirst()
// 获取并移除此双端队列的最后一个元素,必要时将一直等待可用元素。
E takeLast()
// 返回以恰当顺序(从第一个元素到最后一个元素)包含此双端队列所有元素的数组。
Object[] toArray()
// 返回以恰当顺序包含此双端队列所有元素的数组;返回数组的运行时类型是指定数组的运行时类型。
<T> T[] toArray(T[] a)
// 返回此 collection 的字符串表示形式。
String toString()
LinkedBlockingDeque源码分析
下面从ArrayBlockingQueue的创建,添加,取出,遍历这几个方面对LinkedBlockingDeque进行分析
1. 创建
下面以LinkedBlockingDeque(int capacity)来进行说明。
public LinkedBlockingDeque(int capacity) {
if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
this.capacity = capacity;
}
说明:capacity是“链式阻塞队列”的容量。
LinkedBlockingDeque中相关的数据结果定义如下:
// “双向队列”的表头
transient Node<E> first;
// “双向队列”的表尾
transient Node<E> last;
// 节点数量
private transient int count;
// 容量
private final int capacity;
// 互斥锁 , 互斥锁对应的“非空条件notEmpty”, 互斥锁对应的“未满条件notFull”
final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private final Condition notEmpty = lock.newCondition();
private final Condition notFull = lock.newCondition();
说明:lock是互斥锁,用于控制多线程对LinkedBlockingDeque中元素的互斥访问;而notEmpty和notFull是与lock绑定的条件,它们用于实现对多线程更精确的控制。
双向链表的节点Node的定义如下:
static final class Node<E> {
E item; // 数据
Node<E> prev; // 前一节点
Node<E> next; // 后一节点
Node(E x) { item = x; }
}
2. 添加
下面以offer(E e)为例,对LinkedBlockingDeque的添加方法进行说明。
public boolean offer(E e) {
return offerLast(e);
}
offer()实际上是调用offerLast()将元素添加到队列的末尾。
offerLast()的源码如下:
public boolean offerLast(E e) {
if (e == null) throw new NullPointerException();
// 新建节点
Node<E> node = new Node<E>(e);
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 获取锁
lock.lock();
try {
// 将“新节点”添加到双向链表的末尾
return linkLast(node);
} finally {
// 释放锁
lock.unlock();
}
}
说明:offerLast()的作用,是新建节点并将该节点插入到双向链表的末尾。它在插入节点前,会获取锁;操作完毕,再释放锁。
linkLast()的源码如下:
private boolean linkLast(Node<E> node) {
// 如果“双向链表的节点数量” > “容量”,则返回false,表示插入失败。
if (count >= capacity)
return false;
// 将“node添加到链表末尾”,并设置node为新的尾节点
Node<E> l = last;
node.prev = l;
last = node;
if (first == null)
first = node;
else
l.next = node;
// 将“节点数量”+1
++count;
// 插入节点之后,唤醒notEmpty上的等待线程。
notEmpty.signal();
return true;
}
说明:linkLast()的作用,是将节点插入到双向队列的末尾;插入节点之后,唤醒notEmpty上的等待线程。
3. 删除
下面以take()为例,对LinkedBlockingDeque的取出方法进行说明。
public E take() throws InterruptedException {
return takeFirst();
}
take()实际上是调用takeFirst()队列的第一个元素。
takeFirst()的源码如下:
public E takeFirst() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 获取锁
lock.lock();
try {
E x;
// 若“队列为空”,则一直等待。否则,通过unlinkFirst()删除第一个节点。
while ( (x = unlinkFirst()) == null)
notEmpty.await();
return x;
} finally {
// 释放锁
lock.unlock();
}
}
说明:takeFirst()的作用,是删除双向链表的第一个节点,并返回节点对应的值。它在插入节点前,会获取锁;操作完毕,再释放锁。
unlinkFirst()的源码如下:
private E unlinkFirst() {
// assert lock.isHeldByCurrentThread();
Node<E> f = first;
if (f == null)
return null;
// 删除并更新“第一个节点”
Node<E> n = f.next;
E item = f.item;
f.item = null;
f.next = f; // help GC
first = n;
if (n == null)
last = null;
else
n.prev = null;
// 将“节点数量”-1
--count;
// 删除节点之后,唤醒notFull上的等待线程。
notFull.signal();
return item;
}
说明:unlinkFirst()的作用,是将双向队列的第一个节点删除;删除节点之后,唤醒notFull上的等待线程。
4. 遍历
下面对LinkedBlockingDeque的遍历方法进行说明。
public Iterator<E> iterator() {
return new Itr();
}
iterator()实际上是返回一个Iter对象。
Itr类的定义如下:
private class Itr extends AbstractItr {
// “双向队列”的表头
Node<E> firstNode() { return first; }
// 获取“节点n的下一个节点”
Node<E> nextNode(Node<E> n) { return n.next; }
}
Itr继承于AbstractItr,而AbstractItr的定义如下:
private abstract class AbstractItr implements Iterator<E> {
// next是下一次调用next()会返回的节点。
Node<E> next;
// nextItem是next()返回节点对应的数据。
E nextItem;
// 上一次next()返回的节点。
private Node<E> lastRet;
// 返回第一个节点
abstract Node<E> firstNode();
// 返回下一个节点
abstract Node<E> nextNode(Node<E> n);
AbstractItr() {
final ReentrantLock lock = LinkedBlockingDeque.this.lock;
// 获取“LinkedBlockingDeque的互斥锁”
lock.lock();
try {
// 获取“双向队列”的表头
next = firstNode();
// 获取表头对应的数据
nextItem = (next == null) ? null : next.item;
} finally {
// 释放“LinkedBlockingDeque的互斥锁”
lock.unlock();
}
}
// 获取n的后继节点
private Node<E> succ(Node<E> n) {
// Chains of deleted nodes ending in null or self-links
// are possible if multiple interior nodes are removed.
for (;;) {
Node<E> s = nextNode(n);
if (s == null)
return null;
else if (s.item != null)
return s;
else if (s == n)
return firstNode();
else
n = s;
}
}
// 更新next和nextItem。
void advance() {
final ReentrantLock lock = LinkedBlockingDeque.this.lock;
lock.lock();
try {
// assert next != null;
next = succ(next);
nextItem = (next == null) ? null : next.item;
} finally {
lock.unlock();
}
}
// 返回“下一个节点是否为null”
public boolean hasNext() {
return next != null;
}
// 返回下一个节点
public E next() {
if (next == null)
throw new NoSuchElementException();
lastRet = next;
E x = nextItem;
advance();
return x;
}
// 删除下一个节点
public void remove() {
Node<E> n = lastRet;
if (n == null)
throw new IllegalStateException();
lastRet = null;
final ReentrantLock lock = LinkedBlockingDeque.this.lock;
lock.lock();
try {
if (n.item != null)
unlink(n);
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
LinkedBlockingDeque示例
import java.util.*;
import java.util.concurrent.*;
/*
* LinkedBlockingDeque是“线程安全”的队列,而LinkedList是非线程安全的。
*
* 下面是“多个线程同时操作并且遍历queue”的示例
* (01) 当queue是LinkedBlockingDeque对象时,程序能正常运行。
* (02) 当queue是LinkedList对象时,程序会产生ConcurrentModificationException异常。
*
* @author skywang
*/
public class LinkedBlockingDequeDemo1 {
// TODO: queue是LinkedList对象时,程序会出错。
//private static Queue<String> queue = new LinkedList<String>();
private static Queue<String> queue = new LinkedBlockingDeque<String>();
public static void main(String[] args) {
// 同时启动两个线程对queue进行操作!
new MyThread("ta").start();
new MyThread("tb").start();
}
private static void printAll() {
String value;
Iterator iter = queue.iterator();
while(iter.hasNext()) {
value = (String)iter.next();
System.out.print(value+", ");
}
System.out.println();
}
private static class MyThread extends Thread {
MyThread(String name) {
super(name);
}
@Override
public void run() {
int i = 0;
while (i++ < 6) {
// “线程名” + "-" + "序号"
String val = Thread.currentThread().getName()+i;
queue.add(val);
// 通过“Iterator”遍历queue。
printAll();
}
}
}
}
(某一次)运行结果:
ta1, ta1, tb1, tb1,
ta1, ta1, tb1, tb1, tb2, tb2, ta2,
ta2,
ta1, ta1, tb1, tb1, tb2, tb2, ta2, ta2, tb3, tb3, ta3,
ta3, ta1,
tb1, ta1, tb2, tb1, ta2, tb2, tb3, ta2, ta3, tb3, tb4, ta3, ta4,
tb4, ta1, ta4, tb1, tb5,
tb2, ta1, ta2, tb1, tb3, tb2, ta3, ta2, tb4, tb3, ta4, ta3, tb5, tb4, ta5,
ta4, ta1, tb5, tb1, ta5, tb2, tb6,
ta2, ta1, tb3, tb1, ta3, tb2, tb4, ta2, ta4, tb3, tb5, ta3, ta5, tb4, tb6, ta4, ta6,
tb5, ta5, tb6, ta6,
结果说明:
示例程序中,启动两个线程(线程ta和线程tb)分别对LinkedBlockingDeque进行操作。以线程ta而言,它会先获取“线程名”+“序号”,然后将该字符串添加到LinkedBlockingDeque中;接着,遍历并输出LinkedBlockingDeque中的全部元素。 线程tb的操作和线程ta一样,只不过线程tb的名字和线程ta的名字不同。
当queue是LinkedBlockingDeque对象时,程序能正常运行。如果将queue改为LinkedList时,程序会产生ConcurrentModificationException异常。