ArrayBlockingQueue的put方法底层原理

一、ArrayBlockingQueue的put方法底层原理

ArrayBlockingQueue 是 Java 并发包 (java.util.concurrent) 中的一个基于数组实现的有界阻塞队列。它的 put 方法是用于向队列中插入元素的核心方法之一。当队列满时，put 方法会阻塞当前线程，直到队列有空闲空间

1、put 方法的功能

• 作用：将元素插入到队列的尾部

• 阻塞行为：如果队列已满，当前线程会被阻塞，直到队列有空闲空间

• 线程安全：put 方法是线程安全的，内部通过锁机制实现同步

2、put 方法的源码分析

以下是 ArrayBlockingQueue 中 put 方法的源码（基于 JDK 17）：

关键点解析

• 1、获取锁：

  • 使用 lock.lockInterruptibly() 获取锁，支持线程中断

  • 如果当前线程被中断，会抛出 InterruptedException

• 2、检查队列是否满：

  • 如果队列满（count == items.length），调用 notFull.await() 使当前线程等待

  • notFull 是一个 Condition 对象，用于表示队列未满的条件

• 3、插入元素：

  • 如果队列未满，调用 enqueue(e) 方法将元素插入队列

  • enqueue 方法会更新队列的 putIndex 和 count，并唤醒等待 notEmpty 条件的消费者线程

• 4、释放锁：

  • 在 finally 块中释放锁，确保锁一定会被释放，避免死锁

3、enqueue 方法的源码分析

enqueue 是 put 方法中用于实际插入元素的私有方法。以下是其源码：

关键点解析

• 1、插入元素：

  • 将元素 x 放入数组的 putIndex 位置

  • putIndex 是下一个插入元素的位置

• 2、更新 putIndex：

  • 如果 putIndex 达到数组长度，将其重置为 0，实现循环数组的效果

• 3、更新元素数量：

  • count 表示队列中的元素数量，插入成功后递增

• 4、唤醒消费者线程：

  • 调用 notEmpty.signal() 唤醒等待 notEmpty 条件的消费者线程

4、put 方法的阻塞机制

put 方法的阻塞行为是通过 Condition 的 await() 方法实现的。以下是其工作原理：

1、队列满时的阻塞：

• 如果队列满，当前线程会调用 notFull.await()，释放锁并进入等待状态

• 线程会被加入到 notFull 条件的等待队列中

2、被唤醒的条件：

• 当消费者线程从队列中移除一个元素时，会调用 notFull.signal() 或 notFull.signalAll()，唤醒等待 notFull 条件的生产者线程

• 被唤醒的线程会重新尝试获取锁，并检查队列是否仍然满

3、中断处理：：

• 如果线程在等待期间被中断，await() 方法会抛出 InterruptedException，并清除中断状态

5、put 方法的性能优化

1、循环数组：

• ArrayBlockingQueue 使用循环数组存储元素，避免了数组的频繁扩容和数据拷贝

• 通过 putIndex 和 takeIndex 实现队列的循环利用

2、锁分离：

• 使用单独的 Condition 对象（notFull 和 notEmpty）分别管理生产者和消费者的等待队列，减少锁竞争

3、公平性：

• 可以通过构造函数指定是否使用公平锁。公平锁会按照线程等待的顺序分配锁，避免线程饥饿。

二、总结

ArrayBlockingQueue 的 put 方法通过以下机制实现了线程安全的阻塞插入：

1、锁机制：使用 ReentrantLock 保证线程安全。

2、条件变量：使用 notFull 和 notEmpty 管理线程的等待和唤醒。

3、循环数组：通过循环数组高效管理队列元素。