面試侃集合 | ArrayBlockingQueue篇
面試官：平常在工作中你都用過(guò)什么什么集合?
Hydra：用過(guò) ArrayList、HashMap，呃…沒(méi)有了
面試官：好的，回家等通知吧…
不知道大家在面試中是否也有過(guò)這樣的經(jīng)歷，工作中僅僅用過(guò)的那么幾種簡(jiǎn)單的集合，被問(wèn)到時(shí)就會(huì)感覺(jué)捉襟見(jiàn)肘。在面試中，如果能夠講清一些具有特殊使用場(chǎng)景的集合工具類的原理，一定能秀的面試官頭皮發(fā)麻。于是Hydra苦學(xué)半月，再次來(lái)和面試官對(duì)線
面試官：又來(lái)了老弟，讓我看看你這半個(gè)月學(xué)了些什么
Hydra：那就先從ArrayBlockingQueue 中開(kāi)始聊吧，它是一個(gè)具有線程安全性和阻塞性的有界隊(duì)列
面試官：好啊，那先給我解釋一下它的線程安全性
Hydra：ArrayBlockingQueue的線程安全是通過(guò)底層的ReentrantLock保證的，因此在元素出入隊(duì)列操作時(shí)，無(wú)需額外加鎖。寫一段簡(jiǎn)單的代碼舉個(gè)例子，從具體的使用來(lái)說(shuō)明它的線程安全吧
- ArrayBlockingQueue<Integer> queue=new ArrayBlockingQueue(7,
- true, new ArrayList<>(Arrays.asList(new Integer[]{1,2,3,4,5,6,7})));
- @AllArgsConstructor
- class Task implements Runnable{
- String threadName;
- @Override
- public void run() {
- while(true) {
- try {
- System.out.println(threadName+" take: "+queue.take());
- } catch (InterruptedException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- }
- }
- }
- private void queueTest(){
- new Thread(new Task("Thread 1")).start();
- new Thread(new Task("Thread 2")).start();
- }
在代碼中創(chuàng)建隊(duì)列時(shí)就往里放入了7個(gè)元素，然后創(chuàng)建兩個(gè)線程各自從隊(duì)列中取出元素。對(duì)隊(duì)列的操作也非常簡(jiǎn)單，只用到了操作隊(duì)列中出隊(duì)方法take，運(yùn)行結(jié)果如下：
- Thread 1 take: 1
- Thread 2 take: 2
- Thread 1 take: 3
- Thread 2 take: 4
- Thread 1 take: 5
- Thread 2 take: 6
- Thread 1 take: 7
可以看到在公平模式下，兩個(gè)線程交替對(duì)隊(duì)列中的元素執(zhí)行出隊(duì)操作，并沒(méi)有出現(xiàn)重復(fù)取出的情況，即保證了多個(gè)線程對(duì)資源競(jìng)爭(zhēng)的互斥訪問(wèn)。它的過(guò)程如下：
面試官：那它的阻塞性呢?
Hydra：好的，還是寫段代碼通過(guò)例子來(lái)說(shuō)明
- private static void queueTest() throws InterruptedException {
- ArrayBlockingQueue<Integer> queue=new ArrayBlockingQueue<>(3);
- int size=7;
- Thread putThread=new Thread(()->{
- for (int i = 0; i <size ; i++) {
- try {
- queue.put(i);
- System.out.println("PutThread put: "+i+" - Size:"+queue.size());
- Thread.sleep(1000);
- } catch (InterruptedException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- }
- });
- Thread takeThread = new Thread(() -> {
- for (int i = 0; i < size+1 ; i++) {
- try {
- Thread.sleep(3000);
- System.out.println("TakeThread take: "+queue.take());
- } catch (InterruptedException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- }
- });
- putThread.start();
- Thread.sleep(1000);
- takeThread.start();
- }
和第一個(gè)例子中的代碼不同，這次我們創(chuàng)建隊(duì)列時(shí)只指定長(zhǎng)度，并不在初始化時(shí)就往隊(duì)列中放入元素。接下來(lái)創(chuàng)建兩個(gè)線程，一個(gè)線程充當(dāng)生產(chǎn)者，生產(chǎn)產(chǎn)品放入到隊(duì)列中，另一個(gè)線程充當(dāng)消費(fèi)者，消費(fèi)隊(duì)列中的產(chǎn)品。需要注意生產(chǎn)和消費(fèi)的速度是不同的，生產(chǎn)者每一秒生產(chǎn)一個(gè)，而消費(fèi)者每三秒才消費(fèi)一個(gè)。執(zhí)行上面的代碼，運(yùn)行結(jié)果如下：
- PutThread put: 0 - Size:1
- PutThread put: 1 - Size:2
- PutThread put: 2 - Size:3
- TakeThread take: 0
- PutThread put: 3 - Size:3
- TakeThread take: 1
- PutThread put: 4 - Size:3
- TakeThread take: 2
- PutThread put: 5 - Size:3
- TakeThread take: 3
- PutThread put: 6 - Size:3
- TakeThread take: 4
- TakeThread take: 5
- TakeThread take: 6
來(lái)給你畫個(gè)比較直觀的圖來(lái)演示一下吧：
分析運(yùn)行結(jié)果，能夠在兩個(gè)方面體現(xiàn)出隊(duì)列的阻塞性：
- 入隊(duì)阻塞：當(dāng)隊(duì)列中的元素個(gè)數(shù)等于隊(duì)列長(zhǎng)度時(shí)，會(huì)阻塞向隊(duì)列中放入元素的操作，當(dāng)有出隊(duì)操作取走隊(duì)列中元素，隊(duì)列出現(xiàn)空缺位置后，才會(huì)再進(jìn)行入隊(duì)
- 出隊(duì)阻塞：當(dāng)隊(duì)列中的元素為空時(shí)，執(zhí)行出隊(duì)操作的線程將被阻塞，直到隊(duì)列不為空時(shí)才會(huì)再次執(zhí)行出隊(duì)操作。在上面的代碼的出隊(duì)線程中，我們故意將出隊(duì)的次數(shù)設(shè)為了隊(duì)列中元素?cái)?shù)量加一，因此這個(gè)線程最后會(huì)被一直阻塞，程序?qū)⒁恢眻?zhí)行不會(huì)結(jié)束
面試官：你只會(huì)用put和take方法嗎，能不能講講其他的方法?
Hydra：方法太多了，簡(jiǎn)單概括一下插入和移除相關(guān)的操作吧
面試官：方法記得還挺清楚，看樣子是個(gè)合格的 API caller。下面說(shuō)說(shuō)原理吧，先講一下ArrayBlockingQueue 的結(jié)構(gòu)
Hydra：在ArrayBlockingQueue 中有下面四個(gè)比較重要的屬性
- final Object[] items;
- final ReentrantLock lock;
- private final Condition notEmpty;
- private final Condition notFull;
- 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();
- }
在構(gòu)造函數(shù)中對(duì)它們進(jìn)行了初始化：
- Object[] items：隊(duì)列的底層由數(shù)組組成，并且數(shù)組的長(zhǎng)度在初始化就已經(jīng)固定，之后無(wú)法改變
- ReentrantLock lock：控制隊(duì)列操作的獨(dú)占鎖，在操作隊(duì)列的元素前需要獲取鎖，保護(hù)競(jìng)爭(zhēng)資源
- Condition notEmpty：條件對(duì)象，如果有線程從隊(duì)列中獲取元素時(shí)隊(duì)列為空，就會(huì)在此進(jìn)行等待，直到其他線程向隊(duì)列后插入元素才會(huì)被喚醒
- Condition notFull：如果有線程試圖向隊(duì)列中插入元素，且此時(shí)隊(duì)列為滿時(shí)，就會(huì)在這進(jìn)行等待，直到其他線程取出隊(duì)列中的元素才會(huì)被喚醒
Condition是一個(gè)接口，代碼中的notFull和notEmpty實(shí)例化的是AQS的內(nèi)部類ConditionObject，它的內(nèi)部是由AQS中的Node組成的等待鏈，ConditionObject中有一個(gè)頭節(jié)點(diǎn)firstWaiter和尾節(jié)點(diǎn)lastWaiter，并且每一個(gè)Node都有指向相鄰節(jié)點(diǎn)的指針。簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，它的結(jié)構(gòu)是下面這樣的：
至于它的作用先賣個(gè)關(guān)子，放在后面講。除此之外，還有兩個(gè)int類型的屬性takeIndex和putIndex，表示獲取元素的索引位置和插入元素的索引位置。假設(shè)一個(gè)長(zhǎng)度為5的隊(duì)列中已經(jīng)有了3個(gè)元素，那么它的結(jié)構(gòu)是這樣的：
面試官：說(shuō)一下隊(duì)列的插入操作吧
Hydra：好的，那我們先說(shuō)add和offer方法，在執(zhí)行add方法時(shí)，調(diào)用了其父類AbstractQueue中的add方法。add方法則調(diào)用了offer方法，如果添加成功返回true，添加失敗時(shí)拋出異常，看一下源碼：
- public boolean add(E e) {
- if (offer(e))
- return true;
- else
- throw new IllegalStateException("Queue full");
- }
- public boolean offer(E e) {
- checkNotNull(e);//檢查元素非空
- final ReentrantLock lock = this.lock; //獲取鎖并加鎖
- lock.lock();
- try {
- if (count == items.length)//隊(duì)列已滿
- return false;
- else {
- enqueue(e);//入隊(duì)
- return true;
- }
- } finally {
- lock.unlock();
- }
- }
實(shí)際將元素加入隊(duì)列的核心方法enqueue：
- private void enqueue(E x) {
- final Object[] items = this.items;
- items[putIndex] = x;
- if (++putIndex == items.length)
- putIndex = 0;
- count++;
- notEmpty.signal();
- }
在enqueue中，首先將元素放入數(shù)組中下標(biāo)為putIndex的位置，然后對(duì)putIndex自增，并判斷是否已處于隊(duì)列中最后一個(gè)位置，如果putIndex索引位置等于數(shù)組的長(zhǎng)度時(shí)，那么將putIndex置為0，即下一次在元素入隊(duì)時(shí)，從隊(duì)列頭開(kāi)始放置。
舉個(gè)例子，假設(shè)有一個(gè)長(zhǎng)度為5的隊(duì)列，現(xiàn)在已經(jīng)有4個(gè)元素，我們進(jìn)行下面一系列的操作，來(lái)看一下索引下標(biāo)的變化：
上面這個(gè)例子提前用到了隊(duì)列中元素被移除時(shí)takeIndex會(huì)自增的知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)這個(gè)例子中索引的變化，可以看出ArrayBlockingQueue就是一個(gè)循環(huán)隊(duì)列，takeIndex就相當(dāng)于隊(duì)列的頭指針，而putIndex相當(dāng)于隊(duì)列的尾指針的下一個(gè)位置索引。并且這里不需要擔(dān)心在隊(duì)列已滿時(shí)還會(huì)繼續(xù)向隊(duì)列中添加元素，因?yàn)樵趏ffer方法中會(huì)首先判斷隊(duì)列是否已滿，只有在隊(duì)列不滿時(shí)才會(huì)執(zhí)行enqueue方法。
面試官：這個(gè)過(guò)程我明白了，那enqueue方法里最后的notEmpty.signal()是什么意思?
Hydra：這是一個(gè)喚醒操作，等后面講完它的掛起后再說(shuō)。我還是先把插入操作中的put方講完吧，看一下它的源碼：
- public void put(E e) throws InterruptedException {
- checkNotNull(e);
- final ReentrantLock lock = this.lock;
- lock.lockInterruptibly();
- try {
- while (count == items.length)
- notFull.await();
- enqueue(e);
- } finally {
- lock.unlock();
- }
- }
put方法是一個(gè)阻塞方法，當(dāng)隊(duì)列中元素未滿時(shí)，會(huì)直接調(diào)用enqueue方法將元素加入隊(duì)列中。如果隊(duì)列已滿，就會(huì)調(diào)用notFull.await()方法將掛起當(dāng)前線程，直到隊(duì)列不滿時(shí)才會(huì)被喚醒，繼續(xù)執(zhí)行插入操作。
當(dāng)隊(duì)列已滿，再執(zhí)行put操作時(shí)，就會(huì)執(zhí)行下面的流程：
這里提前劇透一下，當(dāng)隊(duì)列中有元素被移除，在調(diào)用dequeue方法中的notFull.signal()時(shí)，會(huì)喚醒等待隊(duì)列中的線程，并把對(duì)應(yīng)的元素添加到隊(duì)列中，流程如下：
做一個(gè)總結(jié)，在插入元素的幾個(gè)方法中，add、offer以及帶有超時(shí)的offer方法都是非阻塞的，會(huì)立即返回或超時(shí)后立即返回，而put方法是阻塞的，只有當(dāng)隊(duì)列不滿添加成功后才會(huì)被返回。
面試官：講的不錯(cuò)，講完插入操作了再講講移除操作怎么樣?
Hydra：還是老規(guī)矩，先說(shuō)非阻塞的方法remove和poll，父類的remove方法還是會(huì)調(diào)用子類的poll方法，不同的是remove方法在隊(duì)列為空時(shí)拋出異常，而poll會(huì)直接返回null。這兩個(gè)方法的核心還是調(diào)用的dequeue方法，它的源碼如下：
- private E dequeue() {
- final Object[] items = this.items;
- E x = (E) items[takeIndex];
- items[takeIndex] = null;
- if (++takeIndex == items.length)
- takeIndex = 0;
- count--;
- if (itrs != null)
- //更新迭代器中的元素
- itrs.elementDequeued();
- notFull.signal();
- return x;
- }
在dequeue中，在獲取到數(shù)組下標(biāo)為takeIndex的元素，并將該位置置為null。將takeIndex自增后判斷是否與數(shù)組長(zhǎng)度相等，如果相等還是按之前循環(huán)隊(duì)列的理論，將它的索引置為0，并將隊(duì)列的中的計(jì)數(shù)減1。
有一個(gè)隊(duì)列初始化時(shí)有5個(gè)元素，我們對(duì)齊分別進(jìn)行5次的出隊(duì)操作，查看索引下標(biāo)的變化情況：
然后我們還是結(jié)合take方法來(lái)說(shuō)明線程的掛起和喚醒的操作，與put方法相對(duì)，take用于阻塞獲取元素，來(lái)看一下它的源碼：
- public E take() throws InterruptedException {
- final ReentrantLock lock = this.lock;
- lock.lockInterruptibly();
- try {
- while (count == 0)
- notEmpty.await();
- return dequeue();
- } finally {
- lock.unlock();
- }
- }
take是一個(gè)可以被中斷的阻塞獲取元素的方法，首先判斷隊(duì)列是否為空，如果隊(duì)列不為空那么就調(diào)用dequeue方法移除元素，如果隊(duì)列為空時(shí)就調(diào)用notEmpty.await()就將當(dāng)前線程掛起，直到有其他的線程調(diào)用了enqueue方法，才會(huì)喚醒等待隊(duì)列中被掛起的線程?？梢詤⒖枷旅娴膱D來(lái)理解：
當(dāng)有其他線程向隊(duì)列中插入元素后：
入隊(duì)的enqueue方法會(huì)調(diào)用notEmpty.signal()，喚醒等待隊(duì)列中firstWaiter指向的節(jié)中的線程，并且該線程會(huì)調(diào)用dequeue完成元素的出隊(duì)操作。到這移除的操作就也分析完了，至于開(kāi)頭為什么說(shuō)ArrayBlockingQueue是線程安全的，看到每個(gè)方法前都通過(guò)全局單例的lock加鎖，相信你也應(yīng)該明白了
