面試侃集合 | LinkedBlockingQueue篇

碼農參上發表於2021-05-24

面試官:好了,聊完了ArrayBlockingQueue,我們接著說說LinkedBlockingQueue

Hydra:還真是不給人喘口氣的機會,LinkedBlockingQueue是一個基於連結串列的阻塞佇列,內部是由節點Node構成,每個被加入佇列的元素都會被封裝成下面的Node節點,並且節點中有指向下一個元素的指標:

static class Node<E> {
    E item;
    Node<E> next;
    Node(E x) { item = x; }
}

LinkedBlockingQueue中的關鍵屬性有下面這些:

private final int capacity;//佇列容量
private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();//佇列中元素數量
transient Node<E> head;//頭節點
private transient Node<E> last;//尾節點
//出隊鎖
private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();
//出隊的等待條件物件
private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();
//入隊鎖
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();
//入隊的等待條件物件
private final Condition notFull = putLock.newCondition();

建構函式分為指定佇列長度和不指定佇列長度兩種,不指定時佇列最大長度是int的最大值。當然了,你要是真存這麼多的元素,很有可能會引起記憶體溢位:

public LinkedBlockingQueue() {
    this(Integer.MAX_VALUE);
}
public LinkedBlockingQueue(int capacity) {
    if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
    this.capacity = capacity;
    last = head = new Node<E>(null);
}	

還有另一種在初始化時就可以將集合作為引數傳入的構造方法,實現非常好理解,只是迴圈呼叫了後面會講到的enqueue入隊方法,這裡暫且略過。

LinkedBlockingQueue中,佇列的頭節點head是不存元素的,它的itemnullnext指向的元素才是真正的第一個元素,它也有兩個用於阻塞等待的Condition條件物件。與之前的ArrayBlockingQueue不同,這裡出隊和入隊使用了不同的鎖takeLockputLock。佇列的結構是這樣的:

面試官:為什麼要使用兩把鎖,之前ArrayBlockingQueue使用一把鎖,不是也可以保證執行緒的安全麼?

Hydra:使用兩把鎖,可以保證元素的插入和刪除並不互斥,從而能夠同時進行,達到提高吞吐量的的效果

面試官:嗯,那還是老規矩,先說插入方法是怎麼實現的吧

Hydra:這次就不提父類AbstractQueueadd方法了,反正它呼叫的也是子類的插入方法offer,我們就直接來看offer方法的原始碼:

public boolean offer(E e) {
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    final AtomicInteger count = this.count;//佇列中元素個數
    if (count.get() == capacity)//已滿
        return false;
    int c = -1;
    Node<E> node = new Node<E>(e);
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    putLock.lock();
    try {
        //併發情況,再次判斷佇列是否已滿
        if (count.get() < capacity) {
            enqueue(node);
            //注意這裡獲取的是未新增元素前的對列長度
            c = count.getAndIncrement();
            if (c + 1 < capacity)//未滿
                notFull.signal();
        }
    } finally {
        putLock.unlock();
    }
    if (c == 0)
        signalNotEmpty();
    return c >= 0;
}

offer方法中,首先判斷佇列是否已滿,未滿情況下將元素封裝成Node物件,嘗試獲取插入鎖,在獲取鎖後會再進行一次佇列已滿判斷,如果已滿則直接釋放鎖。在持有鎖且佇列未滿的情況下,呼叫enqueue入隊方法。

enqueue方法的實現也非常的簡單,將當前尾節點的next指標指向新節點,再把last指向新節點:

private void enqueue(Node<E> node) {
    last = last.next = node;
}

畫一張圖,方便你理解:

在完成入隊後,判斷佇列是否已滿,如果未滿則呼叫notFull.signal(),喚醒等待將元素插入佇列的執行緒。

面試官:我記得在ArrayBlockingQueue裡插入元素後,是呼叫的notEmpty.signal(),怎麼這裡還不一樣了?

Hydra:說到這,就不得不再提一下使用兩把鎖來分別控制插入和獲取元素的好處了。在ArrayBlockingQueue中,使用了同一把鎖對入隊和出隊進行控制,那麼如果在插入元素後再喚醒插入執行緒,那麼很有可能等待獲取元素的執行緒就一直得不到喚醒,造成等待時間過長。

而在LinkedBlockingQueue中,分別使用了入隊鎖putLock和出隊鎖takeLock,插入執行緒和獲取執行緒是不會互斥的。所以插入執行緒可以在這裡不斷的喚醒其他的插入執行緒,而無需擔心是否會使獲取執行緒等待時間過長,從而在一定程度上提高了吞吐量。當然了,因為offer方法是非阻塞的,並不會掛起阻塞執行緒,所以這裡喚醒的是阻塞插入的put方法的執行緒。

面試官:那接著往下看,為什麼要在c等於0的情況下才去喚醒notEmpty中的等待獲取元素的執行緒?

Hydra:其實獲取元素的方法和上面插入元素的方法是一個模式的,只要有一個獲取執行緒在執行方法,那麼就會不斷的通過notEmpty.signal()喚醒其他的獲取執行緒。只有當c等於0時,才證明之前佇列中已經沒有元素,這時候獲取執行緒才可能會被阻塞,在這個時候才需要被喚醒。上面的這些可以用一張圖來說明:

由於我們之前說過,佇列中的head節點可以認為是不儲存資料的標誌性節點,所以可以簡單的認為出隊時直接取出第二個節點,當然這個過程不是非常的嚴謹,我會在後面講解出隊的過程中再進行補充說明。

面試官:那麼阻塞方法put和它有什麼區別?

Hydra:putoffer方法整體思路一致,不同的是加鎖是使用的是可被中斷的方式,並且當佇列中元素已滿時,將執行緒加入notFull等待佇列中進行等待,程式碼中體現在:

while (count.get() == capacity) {
    notFull.await();
}

這個過程體現在上面那張圖的notFull等待佇列中的元素上,就不重複說明了。另外,和put方法比較類似的,還有一個攜帶等待時間引數的offer方法,可以進行有限時間內的阻塞新增,當超時後放棄插入元素,我們只看和offer方法不同部分的程式碼:

public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit){
    ...
    long nanos = unit.toNanos(timeout);//轉換為納秒
    ...
    while (count.get() == capacity) {
        if (nanos <= 0)
            return false;
        nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
    }
    enqueue(new Node<E>(e));    
    ...
}

awaitNanos方法在await方法的基礎上,增加了超時跳出的機制,會在迴圈中計算是否到達預設的超時時間。如果在到達超時時間前被喚醒,那麼會返回超時時間減去已經消耗的時間。無論是被其他執行緒喚醒返回,還是到達指定的超時時間返回,只要方法返回值小於等於0,那麼就認為它已經超時,最終直接返回false結束。

面試官:費這麼大頓功夫才把插入講明白,我先喝口水,你接著說獲取元素方法

Hydra:……那先看非阻塞的poll方法

public E poll() {
    final AtomicInteger count = this.count;
    if (count.get() == 0)//佇列為空
        return null;
    E x = null;
    int c = -1;
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    takeLock.lock();
    try {
        if (count.get() > 0) {//佇列非空
            x = dequeue();
            //出隊前佇列長隊
            c = count.getAndDecrement();
            if (c > 1)
                notEmpty.signal();
        }
    } finally {
        takeLock.unlock();
    }
    if (c == capacity)
        signalNotFull();
    return x;
}

出隊的邏輯和入隊的非常相似,當佇列非空時就執行dequeue進行出隊操作,完成出隊後如果佇列仍然非空,那麼喚醒等待佇列中掛起的獲取元素的執行緒。並且當出隊前的元素數量等於佇列長度時,在出隊後喚醒等待佇列上的新增執行緒。

出隊方法dequeue的原始碼如下:

private E dequeue() {
    Node<E> h = head;
    Node<E> first = h.next;
    h.next = h; // help GC
    head = first;
    E x = first.item;
    first.item = null;
    return x;
}

之前提到過,頭節點head並不儲存資料,它的下一個節點才是真正意義上的第一個節點。在出隊操作中,先得到頭節點的下一個節點first節點,將當前頭節點的next指標指向自己,程式碼中有一個簡單的註釋是help gc,個人理解這裡是為了降低gc中的引用計數,方便它更早被回收。之後再將新的頭節點指向first,並返回清空為null前的內容。使用圖來表示是這樣的:

面試官:(看看手錶)take方法的整體邏輯也差不多,能簡單概括一下嗎

Hydra:阻塞方法take方法和poll的思路基本一致,是一個可以被中斷的阻塞獲取方法,在佇列為空時,會掛起當前執行緒,將它新增到條件物件notEmpty的等待佇列中,等待其他執行緒喚醒。

面試官:再給你一句話的時間,總結一下它和ArrayBlockingQueue的異同,我要下班回家了

Hydra:好吧,我總結一下,有下面幾點:

  • 佇列長度不同,ArrayBlockingQueue建立時需指定長度並且不可修改,而LinkedBlockingQueue可以指定也可以不指定長度
  • 儲存方式不同,ArrayBlockingQueue使用陣列,而LinkedBlockingQueue使用Node節點的連結串列
  • ArrayBlockingQueue使用一把鎖來控制元素的插入和移除,而LinkedBlockingQueue將入隊鎖和出隊鎖分離,提高了併發效能
  • ArrayBlockingQueue採用陣列儲存元素,因此在插入和移除過程中不需要生成額外物件,LinkedBlockingQueue會生成新的Node節點,對gc會有影響

面試官:明天上午9點,老地方,我們再聊聊別的

Hydra:……

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