JAVA并发.12---J.U.C之阻塞队列：ArrayBlockingQueue

原文出处：http://cmsblogs.com/ 『chenssy』

ArrayBlockingQueue，一个由数组实现的有界阻塞队列。该队列采用FIFO的原则对元素进行排序添加的。

ArrayBlockingQueue为有界且固定，其大小在构造时由构造函数来决定，确认之后就不能再改变了。ArrayBlockingQueue支持对等待的生产者线程和使用者线程进行排序的可选公平策略，但是在默认情况下不保证线程公平的访问，在构造时可以选择公平策略（fair = true）。公平性通常会降低吞吐量，但是减少了可变性和避免了“不平衡性”。

ArrayBlockingQueue

先看ArrayBlockingQueue的定义：

public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E> implements BlockingQueue<E>, Serializable {
        private static final long serialVersionUID = -817911632652898426L;
        final Object[] items;
        int takeIndex;
        int putIndex;
        int count;
        // 重入锁
        final ReentrantLock lock;
        // notEmpty condition
        private final Condition notEmpty;
        // notFull condition
        private final Condition notFull;
        transient ArrayBlockingQueue.Itrs itrs;
    }

可以清楚地看到ArrayBlockingQueue继承AbstractQueue，实现BlockingQueue接口。看过java.util包源码的同学应该都认识AbstractQueue，改类在Queue接口中扮演着非常重要的作用，该类提供了对queue操作的骨干实现（具体内容移驾其源码）。BlockingQueue继承java.util.Queue为阻塞队列的核心接口，提供了在多线程环境下的出列、入列操作，作为使用者，则不需要关心队列在什么时候阻塞线程，什么时候唤醒线程，所有一切均由BlockingQueue来完成。

ArrayBlockingQueue内部使用可重入锁ReentrantLock + Condition来完成多线程环境的并发操作。

• items，一个定长数组，维护ArrayBlockingQueue的元素
• takeIndex，int，为ArrayBlockingQueue队首位置
• putIndex，int，ArrayBlockingQueue队尾位置
• count，元素个数
• lock，锁，ArrayBlockingQueue出列入列都必须获取该锁，两个步骤公用一个锁
• notEmpty，出列条件
• notFull，入列条件

入队

ArrayBlockingQueue提供了诸多方法，可以将元素加入队列尾部。

• add(E e) ：将指定的元素插入到此队列的尾部（如果立即可行且不会超过该队列的容量），在成功时返回 true，如果此队列已满，则抛出 IllegalStateException
• offer(E e) :将指定的元素插入到此队列的尾部（如果立即可行且不会超过该队列的容量），在成功时返回true，如果此队列已满，则返回 false
• offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) :将指定的元素插入此队列的尾部，如果该队列已满，则在到达指定的等待时间之前等待可用的空间
• put(E e) :将指定的元素插入此队列的尾部，如果该队列已满，则等待可用的空间

方法较多，我们就分析一个方法：add(E e)：

public boolean add(E e) {
        return super.add(e);
    }

    public boolean add(E e) {
        if (offer(e))
            return true;
        else
            throw new IllegalStateException("Queue full");
    }

add方法调用offer(E e)，如果返回false，则直接抛出IllegalStateException异常。offer(E e)为ArrayBlockingQueue实现：

 public boolean offer(E e) {
        checkNotNull(e);
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            if (count == items.length)
                return false;
            else {
                enqueue(e);
                return true;
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

方法首先检查是否为null，然后获取lock锁。获取锁成功后，如果队列已满则直接返回false，否则调用enqueue(E e)，enqueue(E e)为入列的核心方法，所有入列的方法最终都将调用该方法在队列尾部插入元素：

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)
            putIndex = 0;
        count++;
        notEmpty.signal();
    }

该方法就是在putIndex（对尾）为知处添加元素，最后使用notEmpty的signal()方法通知阻塞在出列的线程（如果队列为空，则进行出列操作是会阻塞）。

出队

ArrayBlockingQueue提供的出队方法如下：

• poll() :获取并移除此队列的头，如果此队列为空，则返回 null
• poll(long timeout, TimeUnit unit) :获取并移除此队列的头部，在指定的等待时间前等待可用的元素（如果有必要）
• remove(Object o) :从此队列中移除指定元素的单个实例（如果存在）
• take() :获取并移除此队列的头部，在元素变得可用之前一直等待（如果有必要）

poll()

 public E poll() {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            return (count == 0) ? null : dequeue();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

如果队列为空返回null，否则调用dequeue()获取列头元素：

private E dequeue() {
        final Object[] items = this.items;
        E x = (E) items[takeIndex];
        items[takeIndex] = null;
        if (++takeIndex == items.length)
            takeIndex = 0;
        count--;
        if (itrs != null)
            itrs.elementDequeued();
        notFull.signal();
        return x;
    }

该方法主要是从列头（takeIndex 位置）取出元素，同时如果迭代器itrs不为null，则需要维护下该迭代器。最后调用notFull.signal()唤醒入列线程。

take()

public E take() throws InterruptedException {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == 0)
                notEmpty.await();
            return dequeue();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

take()与poll()存在一个区别就是count == 0 时的处理，poll()直接返回null，而take()则是在notEmpty上面等待直到被入列的线程唤醒。

ArrayBlockingQueue 构造函数加锁问题

我们先看构造方法：

 public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair, Collection<? extends E> c) {
        this(capacity, fair);

        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock(); // Lock only for visibility, not mutual exclusion    //----(1)
        try {
            int i = 0;
            try {
                for (E e : c) {
                    checkNotNull(e);
                    items[i++] = e;
                }
            } catch (ArrayIndexOutOfBoundsException ex) {
                throw new IllegalArgumentException();
            }
            count = i;
            putIndex = (i == capacity) ? 0 : i;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

第五行代码获取互斥锁，解释为 锁的目的不是为了互斥，而是为了保证可见性 。保证可见性？保证哪个可见性？我们知道 ArrayBlockingQueue 操作的其实就是一个 items 数组，这个数组是不具备线程安全的，所以保证可见性就是保证 items 的可见性。如果不加锁为什么就没法保证 items 的可见性呢？这其实是指令重排序的问题。

什么是指令重排序？编译器或运行时环境为了优化程序性能而采取的对指令进行重新排序执行的一种手段。也就是说程序运行的顺序与我们所想的顺序是不一致的。虽然它遵循 as-if-serial 语义，但是还是无法保证多线程环境下的数据安全。

为什么说指令重排序会影响 items 的可见性呢？创建一个对象要分为三个步骤：

1. 分配内存空间
2. 初始化对象
3. 将内存空间的地址赋值给对应的引用

但是由于指令重排序的问题，步骤 2 和步骤 3 是可能发生重排序的，如下：

1. 分配内存空间
2. 将内存空间的地址赋值给对应的引用
3. 初始化对象

这个过程就会对上面产生影响。假如我们两个线程：线程 A，负责 ArrayBlockingQueue 的实例化工作，线程 B，负责入队、出队操作。线程 A 优先执行。当它执行第 2 行代码，也就是 this(capacity, fair);，如下：

  public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
        if (capacity <= 0)
            throw new IllegalArgumentException();
        this.items = new Object[capacity];
        lock = new ReentrantLock(fair);
        notEmpty = lock.newCondition();
        notFull =  lock.newCondition();
    }

这个时候 items 是已经完成了初始化工作的，也就是说我们可以对其进行操作了。如果在线程 A 实例化对象过程中，步骤 2 和步骤 3 重排序了，那么对于线程 B 而言，ArrayBlockingQueue 是已经完成初始化工作了也就是可以使用了。其实线程 A 可能还正在执行构造函数中的某一个行代码。两个线程在不加锁的情况对一个不具备线程安全的数组同时操作，很有可能会引发线程安全问题。

还有一种解释：缓存一致性。为了解决CPU处理速度以及读写主存速度不一致的问题，引入了 CPU 高速缓存。虽然解决了速度问题，但是也带来了缓存一致性的问题。在不加锁的前提下，线程 A 在构造函数中 items 进行操作，线程 B 通过入队、出队的方式对 items 进行操作，这个过程对 items 的操作结果有可能只存在各自线程的缓存中，并没有写入主存，这样肯定会造成数据不一致的情况。