ArrayBlockQueue函數及應用場景是什么

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隊列在生活中隨處可見，醫院繳費需要排隊、做核酸需要排隊、汽車等紅綠燈需要排隊等等。

隊列是一個按照先來到就排在前面，后來到排在后面的數據結構，并且出隊的時候也是按照先來到先出隊。使用數組和鏈表進行實現。通常用于協調任務的執行和數據的交換。

介紹

ArrayBlockingQueue 是一個有界阻塞隊列，有界指的是隊列存在一個最大容量；阻塞指的是如果隊列已經滿了，想要往隊列繼續添加元素的話，那么這個操作將會被暫停，直到隊列中有空位才會繼續完成添加操作。如果隊列已經為空，想要從隊列中獲取元素，那么這個操作將會被暫停，直接隊列中存在元素才會繼續完成獲取操作。

它具有線程安全、性能好、公平鎖選項的特點：

• 線程安全：使用鎖和條件變量實現線程安全，無需額外的同步措施。

• 阻塞操作：當隊列滿時，插入操作阻塞；當隊列空時，刪除操作阻塞。這有助于避免忙等待和減少無意義的資源消耗。

• 公平鎖選項：支持是否使用公平鎖。避免鎖饑餓。

• 高性能：基于數組實現，內存連續分配，訪問性能較高。

但是同時也存在不靈活、無法支撐高并發的缺點

• 有界性：隊列的容量固定，不可動態改變。因此在創建時分配多大容量將成為關鍵，分配過多會造成資源浪費，分配過少會造成競爭激烈。

• 鎖競爭：在高并發情況下，鎖競爭可能會導致性能下降。

實現原理

ArrayBlockingQueue 內部使用數組作為元素的存儲結構。

執行存取操作時，都必須先獲取鎖，才可以執行存取操作，這就保證ArrayBlockingQueue 是線程安全。

ArrayBlockingQueue 通過兩個 Condition 條件隊列，一個 notFull 條件，一個 notEmpty 條件。在對隊列進行插入元素操作時，判斷當前隊列已經滿，則通過 notFull 條件將線程阻塞，直到其他線程通知該線程隊列可以繼續插入元素。在對隊列進行移除元素操作時，判斷當前隊列已經空，則通過 notEmpty 條件阻塞線程，直到其他線程通過該線程可以繼續獲取元素。

這樣保證線程的存取操作不會出現錯誤。避免隊列在滿時，丟棄插入的元素；也避免在隊列空時取到一個 null 值。

構造函數

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();
}

構造函數中，需要指定隊列的容量和是否使用公平鎖。并且創建了兩個 Condition 條件隊列，分別命名為 notEmpty 和 notFull，這兩個條件隊列是實現阻塞的關鍵。

通過構造函數我們可以知道為什么它叫有界：因為創建數組時，需要指定數組的容量，并且數組容量不能在運行中動態擴大。所以隊列的容量是有邊界的，不是無限擴張的。

插入函數

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

• 獲取鎖

• 判斷當前隊列是否已經滿了

• 如果隊列1已經滿了，調用 notFull 條件隊列的 await() 方法，將該線程阻塞，暫停該線程的插入操作。避免內部溢出的問題。

• 如果沒有滿，則直接調用入隊函數 enqueue 插入到隊列末尾。

• 解鎖

獲取函數

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

• 獲取鎖

• 判斷當前隊列是否為空

• 如果隊列沒有元素，調用 notEmpty 條件隊列的 await() 方法，將該線程阻塞，暫停該線程的獲取操作。避免獲取元素出錯。

• 如果不為空，則直接調用出隊函數 dequeue 移除隊列第一個元素，并返回給客戶端。

• 釋放鎖

入隊函數

private void enqueue(E e) {
    final Object[] items = this.items;
    items[putIndex] = e;
    if (++putIndex == items.length) putIndex = 0;
    count++;
    notEmpty.signal();
}

將元素插入到隊列的尾部，在完成插入操作之后會調用 notEmpty 對象的 signal 方法，告訴 notEmpty 阻塞隊列，現在隊列中已經有元素，之前因為隊列沒有元素而被阻塞的線程，現在可以來獲取元素了。

內部維護一個 putIndex，用于表示下一個將要插入元素的坐標。當 putIndex 等于數組長度時，將會重置為 0。putIndex 是一個從 0 - length 循環使用的坐標。

維護一個 count 變量，用于表示隊列中存在多少元素，在存入的時候增加，在取出的時候減少。

出隊函數

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

將隊列的第一個元素移除，并返回給客戶端。在完成移除操作之后會調用 notFull 對象的 signal 方法，告訴 notFull 阻塞隊列，現在隊列中已經有空位了，之前因為隊列沒有空位而被阻塞的線程，現在可以繼續插入元素。

內部維護一個 takeIndex，用于表示下一個可以獲取元素的坐標。當 takeIndex 等于數組長度時，將會重置為 0。takeIndex 是一個從 0 至數組長度之間循環使用的坐標。

應用場景

適用場景

ArrayBlockingQueue 適用于多個線程之間需要共享數據、協調任務執行的場景。因此可以總結出以下幾個應用場景：

• 線程池：線程池是一個常見的并發編程模型，它通過線程池中的線程執行任務。并且可以重復使用這些線程。在線程池中，可以使用 ArrayBlockingQueue 來存儲需要執行的任務，以此控制任務數量和執行順序。當線程池中的線程執行完任務之后，可以從 ArrayBlockingQueue 中取出下一個任務執行。

• 生產者-消費者：在生產者-消費者模型中，生產者負責生產數據，消費者負責對數據進行處理。在這種模式下，ArrayBlockingQueue 可以作為生產者與消費者之間的數據通道，保證線程安全和數據正確。

實際應用場景

• Apache Tomcat Apache Tomcat 是一個流行的 Java Web 應用服務器，它使用 ArrayBlockingQueue 來實現內部的請求隊列。當請求到達 Tomcat 時，它們被放入一個 ArrayBlockingQueue 中，并由工作線程從隊列中取出并處理請求。

• Netty Netty 是一個高性能的網絡編程框架，它使用 ArrayBlockingQueue 來實現內部的事件隊列。當有新的網絡事件到達時，它們被放入一個 ArrayBlockingQueue 中，并由 IO 線程從隊列中取出并處理事件。

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