关于LinkedBlockingQueue中notEmpty和notFull-Condition的一点困惑

/**
     * Inserts the specified element at the tail of this queue, waiting if
     * necessary for space to become available.
     */
    public void put(E e) throws InterruptedException {
        if (e == null) throw new NullPointerException();
        // Note: convention in all put/take/etc is to preset local var
        // holding count negative to indicate failure unless set.
        int c = -1;
        final ReentrantLock putLock = this.putLock;
        final AtomicInteger count = this.count;
        putLock.lockInterruptibly(); //加 putLock 锁
        try {
			//当队列满时,调用notFull.await()方法释放锁,陷入等待状态。
			//有两种情况会激活该线程
			//第一、 某个put线程添加元素后,发现队列有空余,就调用notFull.signal()方法激活阻塞线程
			//第二、 take线程取元素时,发现队列已满。则其取出元素后,也会调用notFull.signal()方法激活阻塞线程
            while (count.get() == capacity) { 
                    notFull.await();
            }
			// 把元素 e 添加到队列中(队尾)
            enqueue(e);
            // 将count自增,并且将自增前的值保存到变量c中(注意getAndIncrement返回之前旧值!)
            // 这里保存自增前的值,有两层作用,1是紧接着的下面这个判断激活notFull-Condtion
            // 第2个作用是判断其大小是否为0,如果为0,则代表有notEmpty.wait()的线程,则激活之
            c = count.getAndIncrement();
			//发现队列未满,调用notFull.signal()激活阻塞的put线程(可能存在)
            if (c + 1 < capacity)
                notFull.signal();
        } finally {
            putLock.unlock();
        }
        if (c == 0)
			//队列空,说明已经有take线程陷入阻塞,故调用signalNotEmpty激活阻塞的take线程
            signalNotEmpty();
    }

上述put方法中,比较疑惑的地方是,为什么最后要判断,当容量为0时,需要激活notEmpty-Condition阻塞的take线程?

按道理讲,只要进行了put操作,就证明肯定队列不为空了,直接进行signalNotEmpty()不可以吗?

想了想,大概原因是这样:

直接进行signalNotEmpty()可以是可以,不过性能不是最优的,因为如果之前的队列本身就不为空,则说明没有处于因notEmpty.wait()而阻塞的take线程,自然也就无需进行唤醒动作。

另外,判断之前是否有处于阻塞的take线程的方法也非常巧妙,即通过count.getAndIncrement();的返回值获得,

因getAndIncrement返回之前旧值,自然在实现count同步自增的同时,返回了之前值。

为便于理解,take代码也贴出来。

 public E take() throws InterruptedException {
        E x;
        int c = -1;
        final AtomicInteger count = this.count;
        final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
        takeLock.lockInterruptibly();
        try {
                while (count.get() == 0) {
                    notEmpty.await();
                }
            x = dequeue();
            c = count.getAndDecrement();
            if (c > 1)
                notEmpty.signal();
        } finally {
            takeLock.unlock();
        }
        if (c == capacity)
            signalNotFull();
        return x;
    }

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关于LinkedBlockingQueue,基于链表的阻塞队列,同ArrayListBlockingQueue类似,其内部也维持着一个数据缓冲队列(该队列由一个链表构成),当生产者往队列中放入一个数据时,队列会从生产者手中获取数据,并缓存在队列内部,而生产者立即返回;只有当队列缓冲区达到最大值缓存容量时(LinkedBlockingQueue可以通过构造函数指定该值),才会阻塞生产者队列,直到消费者从队列中消费掉一份数据,生产者线程会被唤醒,反之对于消费者这端的处理也基于同样的原理。而LinkedBlockingQueue之所以能够高效的处理并发数据,还因为其对于生产者端和消费者端分别采用了独立的锁来控制数据同步,这也意味着在高并发的情况下生产者和消费者可以并行地操作队列中的数据,以此来提高整个队列的并发性能。

 

 

<think>好的,我现在需要回答用户关于LinkedBlockingQueue如何实现线程安全的问题。首先,我得回忆一下LinkedBlockingQueue的基本结构用途。它是一个基于链表实现的阻塞队列,常用于多线程环境下的生产者-消费者模型。线程安全是关键特性,所以用户想知道其内部机制。 接下来,我应该分解LinkedBlockingQueue的线程安全实现。首先想到的是锁机制。LinkedBlockingQueue通常使用两个ReentrantLock锁,一个用于入队(putLock),一个用于出队(takeLock)。这样可以分离入队出队的操作,减少竞争,提高并发性能。但需要确认是否正确,比如是否真的用了两个锁,或者有没有例外情况。 然后是内部数据结构。链表结构由节点构成,每个节点包含元素指向下一个节点的引用。头节点尾节点的操作需要保证原子性,这时候锁的作用就体现出来了。比如,入队操作在尾部添加节点,需要获取putLock,而出队操作从头部移除节点,需要获取takeLock。这样同时进行入队出队不会互相阻塞。 接下来是条件变量(Condition)。当队列为空时,消费者线程需要等待,直到有元素入队;当队列满时,生产者线程需要等待,直到有空间。这里可能使用了notEmptynotFull这两个条件变量,分别由对应的锁管理。例如,put操作在队列满时调用notFull.await(),而take操作在取出元素后调用notFull.signal(),反之亦然。 还需要考虑容量控制。LinkedBlockingQueue可以有界或无界,当有界时,容量达到上限会阻塞生产者线程。容量通过原子变量(如AtomicInteger)来维护吗?或者是否通过锁来同步?实际上,容量可能由内部的count变量来维护,而count变量由putLocktakeLock共同管理,使用原子操作或者volatile关键字保证可见性。但具体实现可能用到了双重检查,或者使用锁来保护count的修改。 原子操作方面,比如入队出队时对count的增减是否线程安全。由于入队出队分别由不同的锁控制,但count可能被两个锁同时影响,所以需要使用原子变量或者在操作count时用主锁(比如,是否有一个全局锁?不过我记得LinkedBlockingQueue是用了两个锁,所以count的修改可能需要在两个锁的保护下进行,或者使用volatile加上原子操作。例如,count是AtomicInteger类型,或者用volatile int,再结合锁来保证原子性。) 另外,迭代器的线程安全。虽然LinkedBlockingQueue本身是线程安全的,但它的迭代器是弱一致性的,这意味着迭代器创建后可能不会反映所有修改。这部分是否需要提及?用户可能想知道迭代时是否安全,所以应该说明迭代器不会抛出ConcurrentModificationException,但数据可能不是最新的。 还有,入队出队的具体操作步骤。比如,入队操作需要获取putLock,插入节点到尾部,然后判断如果之前队列为空,可能需要唤醒等待的消费者线程。同时,如果插入后队列未满,继续唤醒其他生产者线程。这里需要确保在释放锁之前正确发出信号。 可能存在的边界情况,比如队列为空或满时的处理,如何正确使用条件变量来等待唤醒线程。例如,当执行take()时,如果队列为空,线程会阻塞在notEmpty条件上,直到有元素被放入队列,此时入队操作会唤醒notEmpty上的线程。 此外,需要确认LinkedBlockingQueue的默认容量是多少,比如Integer.MAX_VALUE,即无界队列,但用户也可以指定容量。容量的大小影响阻塞行为,当有界时,put操作在队列满时阻塞,offer操作可以设置超时或立即返回false。 最后,总结其线程安全的关键点:分离锁设计、条件变量控制阻塞与唤醒、原子变量维护状态、以及链表操作的线程安全。需要将这些点组织成清晰的步骤,用中文逐步解释,确保用户容易理解。 可能还需要比较其他阻塞队列的实现,比如ArrayBlockingQueue使用单一锁,而LinkedBlockingQueue使用双锁,因此在高并发下性能更好。但用户的问题不需要比较,只要解释LinkedBlockingQueue的实现,所以可能不需要展开这部分。 检查是否有遗漏的关键点,比如节点对象的不可变性?或者内存可见性如何保证?比如,Node中的item是volatile的吗?或者通过锁的释放来保证happens-before关系。例如,在入队时,更新tail节点后,释放putLock,这样其他线程获取putLock时能看到之前的修改。同样,出队操作通过takeLock来保证可见性。 总结起来,回答的结构应该是: 1. 分离锁机制(入队出队锁) 2. 条件变量管理线程阻塞与唤醒 3. 原子变量维护队列状态(count) 4. 链表操作的线程安全 5. 迭代器的弱一致性 6. 容量控制与阻塞策略 这样分点详细说明,每个部分解释其如何保证线程安全,确保回答结构清晰,用户容易理解。</think>LinkedBlockingQueue 是 Java 并发包中基于链表的阻塞队列,其线程安全通过以下机制实现: --- ### **1. 分离锁设计(双锁机制)** - **入队锁 (`putLock`) 出队锁 (`takeLock`)** 入队操作(如 `put()`)使用 `putLock`,出队操作(如 `take()`)使用 `takeLock`。两者独立,允许生产者消费者线程并发执行,减少竞争。 ```java private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock(); private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock(); ``` --- ### **2. 条件变量控制阻塞与唤醒** - **队列非空条件 (`notEmpty`)** 消费者线程在队列为空时通过 `notEmpty.await()` 阻塞,生产者插入元素后通过 `notEmpty.signal()` 唤醒消费者。 - **队列非满条件 (`notFull`)** 生产者线程在队列满时通过 `notFull.await()` 阻塞,消费者取出元素后通过 `notFull.signal()` 唤醒生产者。 ```java private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition(); private final Condition notFull = putLock.newCondition(); ``` --- ### **3. 原子变量维护队列状态** - **容量计数器 (`count`)** 通过原子变量 `AtomicInteger` 记录队列元素数量,确保入队出队操作的原子性。 ```java private final AtomicInteger count = new AtomicInteger(0); ``` - **入队时**:先加锁 `putLock`,插入元素后原子性增加 `count`。 - **出队时**:先加锁 `takeLock`,移除元素后原子性减少 `count`。 --- ### **4. 链表操作的线程安全** - **头节点 (`head`) 尾节点 (`last`)** 链表操作在锁的保护下进行: - **入队**:在尾部追加节点,更新 `last`(受 `putLock` 保护)。 - **出队**:移除头节点,更新 `head`(受 `takeLock` 保护)。 - **内存可见性** 锁的释放会强制刷新内存状态,确保其他线程能感知到最新修改。 --- ### **5. 容量控制与阻塞策略** - **有界队列** 初始化时指定容量上限,队列满时 `put()` 阻塞,`offer()` 返回 `false`。 - **无界队列** 默认容量为 `Integer.MAX_VALUE`,`put()` 永不阻塞。 --- ### **6. 迭代器的弱一致性** 迭代器通过遍历链表快照实现,不保证实时一致性,但避免抛出 `ConcurrentModificationException`。 --- ### **总结** LinkedBlockingQueue 通过 **分离锁、条件变量、原子计数链表操作同步** 实现高效线程安全,适用于高并发生产-消费场景。
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