介绍

ArrayBlockingQueue 是 Java 并发包 (java.util.concurrent) 中的一个线程安全的阻塞队列实现。它基于数组实现，具有固定的容量，支持多线程环境下的高效生产和消费操作。

特性

  • 有界队列：ArrayBlockingQueue 是一个有界队列，容量在创建时固定，无法动态扩容。
  • 线程安全：内部通过 ReentrantLock 实现线程安全。
  • 阻塞操作：
    • 当队列满时，插入操作会被阻塞，直到队列有空闲空间。
    • 当队列空时，取出操作会被阻塞，直到队列中有新元素。

方法

  • 插入操作：
    • add(E e)：插入元素，如果队列满则抛出异常。
    • offer(E e)：插入元素，如果队列满则返回 false。
    • put(E e)：插入元素，如果队列满则阻塞等待。
  • 取出操作：
    • remove()：取出并移除队头元素，如果队列空则抛出异常。
    • poll()：取出并移除队头元素，如果队列空则返回 null。
    • take()：取出并移除队头元素，如果队列空则阻塞等待。
  • 检查操作：
    • element()：获取队头元素但不移除，如果队列空则抛出异常。
    • peek()：获取队头元素但不移除，如果队列空则返回 null。

原理

数据结构

  • ArrayBlockingQueue内部使用一个定长数组 (Object[]) 存储元素。
  • 通过两个指针 (takeIndex和putIndex) 分别指向队头和队尾。

线程安全

  • 使用 ReentrantLock 保证线程安全。
  • 通过两个条件变量 (notEmpty和notFull) 实现阻塞操作：
    • notEmpty：当队列为空时，消费者线程等待。
    • notFull：当队列满时，生产者线程等待。

核心方法实现

put(E e)

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public void put(E e) throws InterruptedException {
    Objects.requireNonNull(e);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        while (count == items.length) {
            notFull.await(); // 队列满时阻塞
        }
        enqueue(e); // 入队
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

take()

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public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        while (count == 0) {
            notEmpty.await(); // 队列空时阻塞
        }
        return dequeue(); // 出队
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

优缺点

优点
  • 线程安全：内置锁机制，支持多线程并发操作。
  • 阻塞操作：支持生产者和消费者的阻塞等待，简化了线程间协作。
  • 性能较高：基于数组实现，访问效率高。

缺点
  • 固定容量：队列容量固定，无法动态扩容。
  • 锁竞争：在高并发场景下，锁竞争可能成为性能瓶颈。