Java concurrency集合之LinkedBlockingDeque_動力節(jié)點Java學院整理

更新時間：2017年06月13日 10:16:48 作者：skywang12345

LinkedBlockingDeque是雙向鏈表實現(xiàn)的雙向并發(fā)阻塞隊列。該阻塞隊列同時支持FIFO和FILO兩種操作方式，即可以從隊列的頭和尾同時操作(插入/刪除)；并且，該阻塞隊列是支持線程安全。

LinkedBlockingDeque介紹

此外，LinkedBlockingDeque還是可選容量的(防止過度膨脹)，即可以指定隊列的容量。如果不指定，默認容量大小等于Integer.MAX_VALUE。

LinkedBlockingDeque原理和數(shù)據(jù)結構

LinkedBlockingDeque的數(shù)據(jù)結構，如下圖所示：

說明：

1. LinkedBlockingDeque繼承于AbstractQueue，它本質上是一個支持FIFO和FILO的雙向的隊列。

2. LinkedBlockingDeque實現(xiàn)了BlockingDeque接口，它支持多線程并發(fā)。當多線程競爭同一個資源時，某線程獲取到該資源之后，其它線程需要阻塞等待。

3. LinkedBlockingDeque是通過雙向鏈表實現(xiàn)的。

3.1 first是雙向鏈表的表頭。
3.2 last是雙向鏈表的表尾。
3.3 count是LinkedBlockingDeque的實際大小，即雙向鏈表中當前節(jié)點個數(shù)。
3.4 capacity是LinkedBlockingDeque的容量，它是在創(chuàng)建LinkedBlockingDeque時指定的。
3.5 lock是控制對LinkedBlockingDeque的互斥鎖，當多個線程競爭同時訪問LinkedBlockingDeque時，某線程獲取到了互斥鎖lock，其它線程則需要阻塞等待，直到該線程釋放lock，其它線程才有機會獲取lock從而獲取cpu執(zhí)行權。
3.6 notEmpty和notFull分別是“非空條件”和“未滿條件”。通過它們能夠更加細膩進行并發(fā)控制。

LinkedBlockingDeque函數(shù)列表

// 創(chuàng)建一個容量為 Integer.MAX_VALUE 的 LinkedBlockingDeque。
LinkedBlockingDeque()
// 創(chuàng)建一個容量為 Integer.MAX_VALUE 的 LinkedBlockingDeque，最初包含給定 collection 的元素，以該 collection 迭代器的遍歷順序添加。
LinkedBlockingDeque(Collection<? extends E> c)
// 創(chuàng)建一個具有給定（固定）容量的 LinkedBlockingDeque。
LinkedBlockingDeque(int capacity)

// 在不違反容量限制的情況下，將指定的元素插入此雙端隊列的末尾。
boolean add(E e)
// 如果立即可行且不違反容量限制，則將指定的元素插入此雙端隊列的開頭；如果當前沒有空間可用，則拋出 IllegalStateException。
void addFirst(E e)
// 如果立即可行且不違反容量限制，則將指定的元素插入此雙端隊列的末尾；如果當前沒有空間可用，則拋出 IllegalStateException。
void addLast(E e)
// 以原子方式 (atomically) 從此雙端隊列移除所有元素。
void clear()
// 如果此雙端隊列包含指定的元素，則返回 true。
boolean contains(Object o)
// 返回在此雙端隊列的元素上以逆向連續(xù)順序進行迭代的迭代器。
Iterator<E> descendingIterator()
// 移除此隊列中所有可用的元素，并將它們添加到給定 collection 中。
int drainTo(Collection<? super E> c)
// 最多從此隊列中移除給定數(shù)量的可用元素，并將這些元素添加到給定 collection 中。
int drainTo(Collection<? super E> c, int maxElements)
// 獲取但不移除此雙端隊列表示的隊列的頭部。
E element()
// 獲取，但不移除此雙端隊列的第一個元素。
E getFirst()
// 獲取，但不移除此雙端隊列的最后一個元素。
E getLast()
// 返回在此雙端隊列元素上以恰當順序進行迭代的迭代器。
Iterator<E> iterator()
// 如果立即可行且不違反容量限制，則將指定的元素插入此雙端隊列表示的隊列中（即此雙端隊列的尾部），并在成功時返回 true；如果當前沒有空間可用，則返回 false。
boolean offer(E e)
// 將指定的元素插入此雙端隊列表示的隊列中（即此雙端隊列的尾部），必要時將在指定的等待時間內(nèi)一直等待可用空間。
boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
// 如果立即可行且不違反容量限制，則將指定的元素插入此雙端隊列的開頭，并在成功時返回 true；如果當前沒有空間可用，則返回 false。
boolean offerFirst(E e)
// 將指定的元素插入此雙端隊列的開頭，必要時將在指定的等待時間內(nèi)等待可用空間。
boolean offerFirst(E e, long timeout, TimeUnit unit)
// 如果立即可行且不違反容量限制，則將指定的元素插入此雙端隊列的末尾，并在成功時返回 true；如果當前沒有空間可用，則返回 false。
boolean offerLast(E e)
// 將指定的元素插入此雙端隊列的末尾，必要時將在指定的等待時間內(nèi)等待可用空間。
boolean offerLast(E e, long timeout, TimeUnit unit)
// 獲取但不移除此雙端隊列表示的隊列的頭部（即此雙端隊列的第一個元素）；如果此雙端隊列為空，則返回 null。
E peek()
// 獲取，但不移除此雙端隊列的第一個元素；如果此雙端隊列為空，則返回 null。
E peekFirst()
// 獲取，但不移除此雙端隊列的最后一個元素；如果此雙端隊列為空，則返回 null。
E peekLast()
// 獲取并移除此雙端隊列表示的隊列的頭部（即此雙端隊列的第一個元素）；如果此雙端隊列為空，則返回 null。
E poll()
// 獲取并移除此雙端隊列表示的隊列的頭部（即此雙端隊列的第一個元素），如有必要將在指定的等待時間內(nèi)等待可用元素。
E poll(long timeout, TimeUnit unit)
// 獲取并移除此雙端隊列的第一個元素；如果此雙端隊列為空，則返回 null。
E pollFirst()
// 獲取并移除此雙端隊列的第一個元素，必要時將在指定的等待時間等待可用元素。
E pollFirst(long timeout, TimeUnit unit)
// 獲取并移除此雙端隊列的最后一個元素；如果此雙端隊列為空，則返回 null。
E pollLast()
// 獲取并移除此雙端隊列的最后一個元素，必要時將在指定的等待時間內(nèi)等待可用元素。
E pollLast(long timeout, TimeUnit unit)
// 從此雙端隊列所表示的堆棧中彈出一個元素。
E pop()
// 將元素推入此雙端隊列表示的棧。
void push(E e)
// 將指定的元素插入此雙端隊列表示的隊列中（即此雙端隊列的尾部），必要時將一直等待可用空間。
void put(E e)
// 將指定的元素插入此雙端隊列的開頭，必要時將一直等待可用空間。
void putFirst(E e)
// 將指定的元素插入此雙端隊列的末尾，必要時將一直等待可用空間。
void putLast(E e)
// 返回理想情況下（沒有內(nèi)存和資源約束）此雙端隊列可不受阻塞地接受的額外元素數(shù)。
int remainingCapacity()
// 獲取并移除此雙端隊列表示的隊列的頭部。
E remove()
// 從此雙端隊列移除第一次出現(xiàn)的指定元素。
boolean remove(Object o)
// 獲取并移除此雙端隊列第一個元素。
E removeFirst()
// 從此雙端隊列移除第一次出現(xiàn)的指定元素。
boolean removeFirstOccurrence(Object o)
// 獲取并移除此雙端隊列的最后一個元素。
E removeLast()
// 從此雙端隊列移除最后一次出現(xiàn)的指定元素。
boolean removeLastOccurrence(Object o)
// 返回此雙端隊列中的元素數(shù)。
int size()
// 獲取并移除此雙端隊列表示的隊列的頭部（即此雙端隊列的第一個元素），必要時將一直等待可用元素。
E take()
// 獲取并移除此雙端隊列的第一個元素，必要時將一直等待可用元素。
E takeFirst()
// 獲取并移除此雙端隊列的最后一個元素，必要時將一直等待可用元素。
E takeLast()
// 返回以恰當順序（從第一個元素到最后一個元素）包含此雙端隊列所有元素的數(shù)組。
Object[] toArray()
// 返回以恰當順序包含此雙端隊列所有元素的數(shù)組；返回數(shù)組的運行時類型是指定數(shù)組的運行時類型。
<T> T[] toArray(T[] a)
// 返回此 collection 的字符串表示形式。
String toString()

下面從ArrayBlockingQueue的創(chuàng)建，添加，取出，遍歷這幾個方面對LinkedBlockingDeque進行分析

1. 創(chuàng)建

下面以LinkedBlockingDeque(int capacity)來進行說明。

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

說明：capacity是“鏈式阻塞隊列”的容量。

LinkedBlockingDeque中相關的數(shù)據(jù)結果定義如下：

// “雙向隊列”的表頭
transient Node<E> first;
// “雙向隊列”的表尾
transient Node<E> last;
// 節(jié)點數(shù)量
private transient int count;
// 容量
private final int capacity;
// 互斥鎖 , 互斥鎖對應的“非空條件notEmpty”, 互斥鎖對應的“未滿條件notFull”
final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private final Condition notEmpty = lock.newCondition();
private final Condition notFull = lock.newCondition();

說明：lock是互斥鎖，用于控制多線程對LinkedBlockingDeque中元素的互斥訪問；而notEmpty和notFull是與lock綁定的條件，它們用于實現(xiàn)對多線程更精確的控制。

雙向鏈表的節(jié)點Node的定義如下：

static final class Node<E> {
 E item;  // 數(shù)據(jù)
 Node<E> prev; // 前一節(jié)點
 Node<E> next; // 后一節(jié)點

 Node(E x) { item = x; }
}

2. 添加

下面以offer(E e)為例，對LinkedBlockingDeque的添加方法進行說明。

public boolean offer(E e) {
 return offerLast(e);
}

offer()實際上是調用offerLast()將元素添加到隊列的末尾。

offerLast()的源碼如下：

public boolean offerLast(E e) {
 if (e == null) throw new NullPointerException();
 // 新建節(jié)點
 Node<E> node = new Node<E>(e);
 final ReentrantLock lock = this.lock;
 // 獲取鎖
 lock.lock();
 try {
  // 將“新節(jié)點”添加到雙向鏈表的末尾
  return linkLast(node);
 } finally {
  // 釋放鎖
  lock.unlock();
 }
}

說明：offerLast()的作用，是新建節(jié)點并將該節(jié)點插入到雙向鏈表的末尾。它在插入節(jié)點前，會獲取鎖；操作完畢，再釋放鎖。
linkLast()的源碼如下：

private boolean linkLast(Node<E> node) {
 // 如果“雙向鏈表的節(jié)點數(shù)量” > “容量”，則返回false，表示插入失敗。
 if (count >= capacity)
  return false;
 // 將“node添加到鏈表末尾”，并設置node為新的尾節(jié)點
 Node<E> l = last;
 node.prev = l;
 last = node;
 if (first == null)
  first = node;
 else
  l.next = node;
 // 將“節(jié)點數(shù)量”+1
 ++count;
 // 插入節(jié)點之后，喚醒notEmpty上的等待線程。
 notEmpty.signal();
 return true;
}

說明：linkLast()的作用，是將節(jié)點插入到雙向隊列的末尾；插入節(jié)點之后，喚醒notEmpty上的等待線程。

3. 刪除

下面以take()為例，對LinkedBlockingDeque的取出方法進行說明。

public E take() throws InterruptedException {
 return takeFirst();
}

take()實際上是調用takeFirst()隊列的第一個元素。

takeFirst()的源碼如下：

public E takeFirst() throws InterruptedException {
 final ReentrantLock lock = this.lock;
 // 獲取鎖
 lock.lock();
 try {
  E x;
  // 若“隊列為空”，則一直等待。否則，通過unlinkFirst()刪除第一個節(jié)點。
  while ( (x = unlinkFirst()) == null)
   notEmpty.await();
  return x;
 } finally {
  // 釋放鎖
  lock.unlock();
 }
}

說明：takeFirst()的作用，是刪除雙向鏈表的第一個節(jié)點，并返回節(jié)點對應的值。它在插入節(jié)點前，會獲取鎖；操作完畢，再釋放鎖。

unlinkFirst()的源碼如下：

private E unlinkFirst() {
 // assert lock.isHeldByCurrentThread();
 Node<E> f = first;
 if (f == null)
  return null;
 // 刪除并更新“第一個節(jié)點”
 Node<E> n = f.next;
 E item = f.item;
 f.item = null;
 f.next = f; // help GC
 first = n;
 if (n == null)
  last = null;
 else
  n.prev = null;
 // 將“節(jié)點數(shù)量”-1
 --count;
 // 刪除節(jié)點之后，喚醒notFull上的等待線程。
 notFull.signal();
 return item;
}

說明：unlinkFirst()的作用，是將雙向隊列的第一個節(jié)點刪除；刪除節(jié)點之后，喚醒notFull上的等待線程。

4. 遍歷

下面對LinkedBlockingDeque的遍歷方法進行說明。

public Iterator<E> iterator() {
 return new Itr();
}

iterator()實際上是返回一個Iter對象。

Itr類的定義如下：

private class Itr extends AbstractItr {
 // “雙向隊列”的表頭
 Node<E> firstNode() { return first; }
 // 獲取“節(jié)點n的下一個節(jié)點”
 Node<E> nextNode(Node<E> n) { return n.next; }
}

Itr繼承于AbstractItr，而AbstractItr的定義如下：

private abstract class AbstractItr implements Iterator<E> {
 // next是下一次調用next()會返回的節(jié)點。
 Node<E> next;
 // nextItem是next()返回節(jié)點對應的數(shù)據(jù)。
 E nextItem;
 // 上一次next()返回的節(jié)點。
 private Node<E> lastRet;
 // 返回第一個節(jié)點
 abstract Node<E> firstNode();
 // 返回下一個節(jié)點
 abstract Node<E> nextNode(Node<E> n);

 AbstractItr() {
  final ReentrantLock lock = LinkedBlockingDeque.this.lock;
  // 獲取“LinkedBlockingDeque的互斥鎖”
  lock.lock();
  try {
   // 獲取“雙向隊列”的表頭
   next = firstNode();
   // 獲取表頭對應的數(shù)據(jù)
   nextItem = (next == null) ? null : next.item;
  } finally {
   // 釋放“LinkedBlockingDeque的互斥鎖”
   lock.unlock();
  }
 }

 // 獲取n的后繼節(jié)點
 private Node<E> succ(Node<E> n) {
  // Chains of deleted nodes ending in null or self-links
  // are possible if multiple interior nodes are removed.
  for (;;) {
   Node<E> s = nextNode(n);
   if (s == null)
    return null;
   else if (s.item != null)
    return s;
   else if (s == n)
    return firstNode();
   else
    n = s;
  }
 }

 // 更新next和nextItem。
 void advance() {
  final ReentrantLock lock = LinkedBlockingDeque.this.lock;
  lock.lock();
  try {
   // assert next != null;
   next = succ(next);
   nextItem = (next == null) ? null : next.item;
  } finally {
   lock.unlock();
  }
 }

 // 返回“下一個節(jié)點是否為null”
 public boolean hasNext() {
  return next != null;
 }

 // 返回下一個節(jié)點
 public E next() {
  if (next == null)
   throw new NoSuchElementException();
  lastRet = next;
  E x = nextItem;
  advance();
  return x;
 }

 // 刪除下一個節(jié)點
 public void remove() {
  Node<E> n = lastRet;
  if (n == null)
   throw new IllegalStateException();
  lastRet = null;
  final ReentrantLock lock = LinkedBlockingDeque.this.lock;
  lock.lock();
  try {
   if (n.item != null)
    unlink(n);
  } finally {
   lock.unlock();
  }
 }
}

LinkedBlockingDeque示例

 import java.util.*;
 import java.util.concurrent.*;
 
 /*
 * LinkedBlockingDeque是“線程安全”的隊列，而LinkedList是非線程安全的。
 *
 * 下面是“多個線程同時操作并且遍歷queue”的示例
 * (01) 當queue是LinkedBlockingDeque對象時，程序能正常運行。
 * (02) 當queue是LinkedList對象時，程序會產(chǎn)生ConcurrentModificationException異常。
 *
 * 
 */
 public class LinkedBlockingDequeDemo1 {
 
  // TODO: queue是LinkedList對象時，程序會出錯。
  //private static Queue<String> queue = new LinkedList<String>();
  private static Queue<String> queue = new LinkedBlockingDeque<String>();
  public static void main(String[] args) {
  
   // 同時啟動兩個線程對queue進行操作！
   new MyThread("ta").start();
   new MyThread("tb").start();
  }
 
  private static void printAll() {
   String value;
   Iterator iter = queue.iterator();
   while(iter.hasNext()) {
    value = (String)iter.next();
    System.out.print(value+", ");
   }
   System.out.println();
  }
 
  private static class MyThread extends Thread {
   MyThread(String name) {
    super(name);
   }
   @Override
   public void run() {
     int i = 0;
    while (i++ < 6) {
     // “線程名” + "-" + "序號"
     String val = Thread.currentThread().getName()+i;
     queue.add(val);
     // 通過“Iterator”遍歷queue。
     printAll();
    }
   }
  }
 }

(某一次)運行結果：

ta1, ta1, tb1, tb1,

ta1, ta1, tb1, tb1, tb2, tb2, ta2, 
ta2, 
ta1, ta1, tb1, tb1, tb2, tb2, ta2, ta2, tb3, tb3, ta3, 
ta3, ta1, 
tb1, ta1, tb2, tb1, ta2, tb2, tb3, ta2, ta3, tb3, tb4, ta3, ta4, 
tb4, ta1, ta4, tb1, tb5, 
tb2, ta1, ta2, tb1, tb3, tb2, ta3, ta2, tb4, tb3, ta4, ta3, tb5, tb4, ta5, 
ta4, ta1, tb5, tb1, ta5, tb2, tb6, 
ta2, ta1, tb3, tb1, ta3, tb2, tb4, ta2, ta4, tb3, tb5, ta3, ta5, tb4, tb6, ta4, ta6, 
tb5, ta5, tb6, ta6,

結果說明：示例程序中，啟動兩個線程(線程ta和線程tb)分別對LinkedBlockingDeque進行操作。以線程ta而言，它會先獲取“線程名”+“序號”，然后將該字符串添加到LinkedBlockingDeque中；接著，遍歷并輸出LinkedBlockingDeque中的全部元素。線程tb的操作和線程ta一樣，只不過線程tb的名字和線程ta的名字不同。

當queue是LinkedBlockingDeque對象時，程序能正常運行。如果將queue改為LinkedList時，程序會產(chǎn)生ConcurrentModificationException異常。

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