LinkedBlockingDeque详解

标签：Node node 结点 LinkedBlockingDeque lock 阻塞 详解 null

LinkedBlockingDeque介绍

　　【1】LinkedBlockingDeque是一个基于链表实现的双向阻塞队列，默认情况下，该阻塞队列的大小为Integer.MAX_VALUE，可以看做无界队列，但也可以设置容量限制，作为有界队列。

　　【2】相比于其他阻塞队列，LinkedBlockingDeque 多了 addFirst、addLast、peekFirst、peekLast 等方法。以first结尾的方法，表示插入、获取或移除双端队列的第一个元素。以 last 结尾的方法，表示插入、获取或移除双端队列的最后一个元素。但本质上并没有优化锁的竞争情况，因为不管是从队首还是队尾，都是在竞争同一把锁，只不过数据插入和获取的方式多了。

LinkedBlockingDeque的源码分析

　　【1】属性值

//典型的双端链表结构
static final class Node<E> {
    E item; //存储元素
    Node<E> prev;   //前驱节点
    Node<E> next; //后继节点

    Node(E x) {
        item = x;
    }
}
// 链表头  本身是不存储任何元素的，初始化时item指向null
transient Node<E> first;
// 链表尾
transient Node<E> last;
// 元素数量
private transient int count;
// 容量,指定容量就是有界队列
private final int capacity;
//重入锁
final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
// 当队列无元素时，锁会阻塞在notEmpty条件上，等待其它线程唤醒
private final Condition notEmpty = lock.newCondition();
// 当队列满了时，锁会阻塞在notFull上，等待其它线程唤醒
private final Condition notFull = lock.newCondition();

 

　　【2】构造函数

public LinkedBlockingDeque() {
    // 如果没传容量，就使用最大int值初始化其容量
    this(Integer.MAX_VALUE);
}

public LinkedBlockingDeque(int capacity) {
    if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
    this.capacity = capacity;
}

public LinkedBlockingDeque(Collection<? extends E> c) {
    this(Integer.MAX_VALUE);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock(); // 为保证可见性而加的锁
    try {
        for (E e : c) {
            if (e == null)
                throw new NullPointerException();
            //从尾部插入元素，插入失败抛出异常
            if (!linkLast(new Node<E>(e)))
                throw new IllegalStateException("Deque full");
        }
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

 

　　【3】核心方法分析

　　　　1）入队方法

//添加头结点元素
public void addFirst(E e) {
    //如果添加失败，抛出异常
    if (!offerFirst(e))
        throw new IllegalStateException("Deque full");
}

//添加尾结点元素
public void addLast(E e) {
    //如果添加失败，抛出异常
    if (!offerLast(e))
        throw new IllegalStateException("Deque full");
}

//添加头结点元素
public boolean offerFirst(E e) {
    //添加的元素为空 抛出空指针异常
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    //将元素构造为结点
    Node<E> node = new Node<E>(e);
    //这边会加锁，并调用添加头结点插入的核心方法
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        return linkFirst(node);
    } finally {
        //解锁
        lock.unlock();
    }
}

//添加尾结点元素
public boolean offerLast(E e) {
    //添加的元素为空 抛出空指针异常
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    //将元素构造为结点
    Node<E> node = new Node<E>(e);
    //这边会加锁，并调用添加尾结点插入的核心方法
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        return linkLast(node);
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

//头部插入
private boolean linkFirst(Node<E> node) {
    //当前容量大于队列最大容量时，直接返回插入失败
    if (count >= capacity)
        return false;
    //队列中的头结点
    Node<E> f = first;
    //原来的头结点作为 新插入结点的后一个结点
    node.next = f;
    //替换头结点 为新插入的结点
    first = node;
    //尾结点不存在，将尾结点置为当前新插入的结点
    if (last == null)
        last = node;
    else
        //原来的头结点的上一个结点为当前新插入的结点
        f.prev = node;
    //当前容量增加
    ++count;
    //唤醒读取时因队列中无元素而导致阻塞的线程
    notEmpty.signal();
    return true;
}

//尾部插入
private boolean linkLast(Node<E> node) {
    //当前容量大于队列最大容量时，直接返回插入失败
    if (count >= capacity)
        return false;
    //获取尾节点
    Node<E> l = last;
    //将新插入的前一个节点指向原来的尾节点
    node.prev = l;
    //尾结点设置为新插入的结点
    last = node;
    //头结点为空，新插入的结点作为头节点
    if (first == null)
        first = node;
    else
        //将原尾结点的下一个结点指向新插入的节点
        l.next = node;
    //当前容量增加
    ++count;
    //唤醒读取时因队列中无元素而导致阻塞的线程
    notEmpty.signal();
    return true;
}

//头结点插入
public void putFirst(E e) throws InterruptedException {
    //元素不能为空
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    //将元素构造为结点
    Node<E> node = new Node<E>(e);
    //这边会加锁，并调用添加头结点插入的核心方法
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        //头结点如果插入失败，会阻塞该方法，直到取出结点或删除结点时被唤醒
        while (!linkFirst(node))
            notFull.await();
    } finally {
        //解锁
        lock.unlock();
    }
}

//尾结点插入
public void putLast(E e) throws InterruptedException {
    //元素不能为空
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    //将元素构造为结点
    Node<E> node = new Node<E>(e);
    //这边会加锁，并调用添加尾结点插入的核心方法
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        //尾结点如果插入失败，会阻塞该方法，直到取出结点或删除结点时被唤醒
        while (!linkLast(node))
            notFull.await();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

//头结点插入 可指定阻塞时间
public boolean offerFirst(E e, long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException {
    //元素不能为空
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    //将元素构造为结点
    Node<E> node = new Node<E>(e);
    //计算剩余应阻塞时间
    long nanos = unit.toNanos(timeout);
    //这边会加锁，并调用添加头结点插入的核心方法
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    //获取可响应中断的锁，保证阻塞时间到期后可重新获得锁
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        //头结点如果插入失败，会阻塞该方法，直到取出结点或删除结点时被唤醒
        //或者阻塞时间到期直接返回失败
        while (!linkFirst(node)) {
            if (nanos <= 0)
                return false;
            nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
        }
        return true;
    } finally {
        //解锁
        lock.unlock();
    }
}

//头结点插入 可指定阻塞时间
public boolean offerLast(E e, long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException {
    //元素不能为空
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    //将元素构造为结点
    Node<E> node = new Node<E>(e);
    //计算剩余应阻塞时间
    long nanos = unit.toNanos(timeout);
    //这边会加锁，并调用添加尾结点插入的核心方法
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    //获取可响应中断的锁，保证阻塞时间到期后可重新获得锁
    try {
        //尾结点如果插入失败，会阻塞该方法，直到取出结点或删除结点时被唤醒
        //或者阻塞时间到期直接返回失败
        while (!linkLast(node)) {
            if (nanos <= 0)
                return false;
            nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
        }
        return true;
    } finally {
        //解锁
        lock.unlock();
    }
}

 

　　　　2）出队方法

//删除头结点 - 加锁 直接返回结果
public E pollFirst() {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        //调用删除头结点核心方法
        return unlinkFirst();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

//删除尾结点 - 加锁 直接返回结果
public E pollLast() {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        //调用删除尾结点核心方法
        return unlinkLast();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

//删除头结点 - 加锁，如果删除失败则阻塞
public E takeFirst() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        E x;
        //调用删除头结点核心方法
        while ((x = unlinkFirst()) == null)
            //阻塞
            notEmpty.await();
        return x;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

//删除尾结点 - 加锁，如果删除失败则阻塞
public E takeLast() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        E x;
        //调用删除尾结点核心方法
        while ((x = unlinkLast()) == null)
            //阻塞
            notEmpty.await();
        return x;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

//删除头结点 - 加锁，如果删除失败则阻塞 可以指定阻塞时间
public E pollFirst(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException {
    //计算应阻塞时间
    long nanos = unit.toNanos(timeout);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        E x;
        //调用删除头结点核心方法
        while ((x = unlinkFirst()) == null) {
            if (nanos <= 0)
                //阻塞时间过期，返回结果
                return null;
            //阻塞 并指定阻塞时间
            nanos = notEmpty.awaitNanos(nanos);
        }
        return x;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

//删除尾结点 - 加锁，如果删除失败则阻塞 可以指定阻塞时间
public E pollLast(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException {
    //计算应阻塞时间
    long nanos = unit.toNanos(timeout);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        E x;
        //调用删除尾结点核心方法
        while ((x = unlinkLast()) == null) {
            if (nanos <= 0)
                //阻塞时间过期，返回结果
                return null;
            //阻塞 并指定阻塞时间
            nanos = notEmpty.awaitNanos(nanos);
        }
        return x;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

//删除头结点
private E unlinkFirst() {
    //获取当前头结点
    Node<E> f = first;
    //头结点为空 返回空
    if (f == null)
        return null;
    //获取头结点的下一个结点
    Node<E> n = f.next;
    //获取头结点元素(记录return需要用到的删除了哪个元素)
    E item = f.item;
    //将头结点元素置为null
    f.item = null;
    //将头结点的下一个结点指向自己 方便gc
    f.next = f;
    //设置头结点为原头结点的下一个结点
    first = n;
    //若原头结点的下一个结点不存在（队列中没有了结点）
    if (n == null)
        //将尾结点也置为null
        last = null;
    else
        //新的头结点的前一个结点指向null，因为他已经作为了头结点 所以不需要指向上一个结点
        n.prev = null;
    //当前数量减少
    --count;
    //唤醒因添加元素时队列容量满导致阻塞的线程
    notFull.signal();
    //返回原来的头结点中的元素
    return item;
}

//删除尾结点
private E unlinkLast() {
    //获取当前尾结点
    Node<E> l = last;
    //尾结点不存在 返回null
    if (l == null)
        return null;
    //获取当前尾结点的上一个结点
    Node<E> p = l.prev;
    //获取当前尾结点中的元素，需要返回记录
    E item = l.item;
    //将当前尾结点的元素置为null
    l.item = null;
    //并将当前尾结点的上一个结点指向自己，方便gc
    l.prev = l;
    //设置新的尾结点，为原来尾结点的前一个结点
    last = p;
    //若无新的尾结点，头结点置为空（队列中没有了结点）
    if (p == null)
        first = null;
    else
        //将新的尾结点的下一个结点指向null，因为他已经为尾结点所以不需要指向下一个结点
        p.next = null;
    //数量减少
    --count;
    //唤醒因添加元素时队列容量满导致阻塞的线程
    notFull.signal();
    //返回原来的尾结点元素
    return item;
}

 

LinkedBlockingDeque总结

　　【1】一个链表阻塞双端无界队列，可以指定容量，默认为 Integer.MAX_VALUE

　　【2】数据结构：链表（同LinkedBlockingQueue，内部类Node存储元素）

　　【3】锁：ReentrantLock（同ArrayBlockingQueue）存取是同一把锁，操作的是同一个数组对象

　　【4】阻塞对象（notEmpty【出队：队列count=0，无元素可取时，阻塞在该对象上】，notFull【入队：队列count=capacity，放不进元素时，阻塞在该对象上】）

　　【5】入队，首尾都可以，均可以添加删除。

　　【6】出队，首尾都可以，均可以添加删除。

　　【7】应用场景：常用于 “工作窃取算法”。

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