2023-09-10  阅读(2)
原文作者:keep_trying 原文地址: https://blog.csdn.net/yjp198713/article/details/79022931

一、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。

二、LinkedBlockingDeque原理和数据结构

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说明:

  1. LinkedBlockingDeque继承于AbstractQueue,它本质上是一个支持FIFO和FILO的双向的队列。
  2. 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。
  3. LinkedBlockingDeque是通过双向链表实现的。
    3.1 first是双向链表的表头。
    3.2 last是双向链表的表尾。
    3.3 count是LinkedBlockingDeque的实际大小,即双向链表中当前节点个数。
    3.4 capacity是LinkedBlockingDeque的容量,它是在创建LinkedBlockingDeque时指定的。
    3.5 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。
    3.6 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。
    a、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。
    b、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。

三、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()

四、LinkedBlockingDeque源码分析

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();
            }
        }
    }

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