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面試官：平常在工作中你都用過什么什么集合?

Hydra：用過 ArrayList、HashMap，呃…沒有了

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這樣的經(jīng)歷，工作中僅僅用過的那么幾種簡單的集合，被問到時就會感覺捉襟見肘。在面試中，如果能夠講清一些具有特殊使用場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，再次來和面試官對線

面試官：又來了老弟，讓我看看你這半個月學(xué)了些什么

Hydra：那就先從ArrayBlockingQueue 中開始聊吧，它是一個具有線程安全性和阻塞性的有界隊列

面試官：好啊，那先給我解釋一下它的線程安全性

Hydra：ArrayBlockingQueue的線程安全是通過底層的ReentrantLock保證的，因此在元素出入隊列操作時，無需額外加鎖。寫一段簡單的代碼舉個例子，從具體的使用來說明它的線程安全吧

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)建隊列時就往里放入了7個元素，然后創(chuàng)建兩個線程各自從隊列中取出元素。對隊列的操作也非常簡單，只用到了操作隊列中出隊方法take，運行結(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，兩個線程交替對隊列中的元素執(zhí)行出隊操作，并沒有出現(xiàn)重復(fù)取出的情況，即保證了多個線程對資源競爭的互斥訪問。它的過程如下：

面試官：那它的阻塞性呢?

Hydra：好的，還是寫段代碼通過例子來說明

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(); 
} 

和第一個例子中的代碼不同，這次我們創(chuàng)建隊列時只指定長度，并不在初始化時就往隊列中放入元素。接下來創(chuàng)建兩個線程，一個線程充當(dāng)生產(chǎn)者，生產(chǎn)產(chǎn)品放入到隊列中，另一個線程充當(dāng)消費者，消費隊列中的產(chǎn)品。需要注意生產(chǎn)和消費的速度是不同的，生產(chǎn)者每一秒生產(chǎn)一個，而消費者每三秒才消費一個。執(zhí)行上面的代碼，運行結(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 

來給你畫個比較直觀的圖來演示一下吧：

分析運行結(jié)果，能夠在兩個方面體現(xiàn)出隊列的阻塞性：

• 入隊阻塞：當(dāng)隊列中的元素個數(shù)等于隊列長度時，會阻塞向隊列中放入元素的操作，當(dāng)有出隊操作取走隊列中元素，隊列出現(xiàn)空缺位置后，才會再進(jìn)行入隊
• 出隊阻塞：當(dāng)隊列中的元素為空時，執(zhí)行出隊操作的線程將被阻塞，直到隊列不為空時才會再次執(zhí)行出隊操作。在上面的代碼的出隊線程中，我們故意將出隊的次數(shù)設(shè)為了隊列中元素數(shù)量加一，因此這個線程最后會被一直阻塞，程序?qū)⒁恢眻?zhí)行不會結(jié)束

面試官：你只會用put和take方法嗎，能不能講講其他的方法?

Hydra：方法太多了，簡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，看樣子是個合格的 API caller。下面說說原理吧，先講一下ArrayBlockingQueue 的結(jié)構(gòu)

Hydra：在ArrayBlockingQueue 中有下面四個比較重要的屬性

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)中對它們進(jìn)行了初始化：

• Object[] items：隊列的底層由數(shù)組組成，并且數(shù)組的長度在初始化就已經(jīng)固定，之后無法改變
• ReentrantLock lock：控制隊列操作的獨占鎖，在操作隊列的元素前需要獲取鎖，保護(hù)競爭資源
• Condition notEmpty：條件對象，如果有線程從隊列中獲取元素時隊列為空，就會在此進(jìn)行等待，直到其他線程向隊列后插入元素才會被喚醒
• Condition notFull：如果有線程試圖向隊列中插入元素，且此時隊列為滿時，就會在這進(jìn)行等待，直到其他線程取出隊列中的元素才會被喚醒

Condition是一個接口，代碼中的notFull和notEmpty實例化的是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中有一個頭節(jié)點firstWaiter和尾節(jié)點lastWaiter，并且每一個Node都有指向相鄰節(jié)點的指針。簡單的來說，它的結(jié)構(gòu)是下面這樣的：

至于它的作用先賣個關(guān)子，放在后面講。除此之外，還有兩個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)一個長度為5的隊列中已經(jīng)有了3個元素，那么它的結(jié)構(gòu)是這樣的：

面試官：說一下隊列的插入操作吧

Hydra：好的，那我們先說add和offer方法，在執(zhí)行add方法時，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)//隊列已滿 
            return false; 
        else { 
            enqueue(e);//入隊 
            return true; 
        } 
    } finally { 
        lock.unlock(); 
    } 
} 

實際將元素加入隊列的核心方法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putIndex自增，并判斷是否已處于隊列中最后一個位置，如果putIndex索引位置等于數(shù)組的長度時，那么將putIndex置為0，即下一次在元素入隊時，從隊列頭開始放置。

舉個例子，假設(shè)有一個長度為5的隊列，現(xiàn)在已經(jīng)有4個元素，我們進(jìn)行下面一系列的操作，來看一下索引下標(biāo)的變化：

上面這個例子提前用到了隊列中元素被移除時takeIndex會自增的知識點，通過這個例子中索引的變化，可以看出ArrayBlockingQueue就是一個循環(huán)隊列，takeIndex就相當(dāng)于隊列的頭指針，而putIndex相當(dāng)于隊列的尾指針的下一個位置索引。并且這里不需要擔(dān)心在隊列已滿時還會繼續(xù)向隊列中添加元素，因為在offer方法中會首先判斷隊列是否已滿，只有在隊列不滿時才會執(zhí)行enqueue方法。

面試官：這個過程我明白了，那enqueue方法里最后的notEmpty.signal()是什么意思?

Hydra：這是一個喚醒操作，等后面講完它的掛起后再說。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方法是一個阻塞方法，當(dāng)隊列中元素未滿時，會直接調(diào)用enqueue方法將元素加入隊列中。如果隊列已滿，就會調(diào)用notFull.await()方法將掛起當(dāng)前線程，直到隊列不滿時才會被喚醒，繼續(xù)執(zhí)行插入操作。

當(dāng)隊列已滿，再執(zhí)行put操作時，就會執(zhí)行下面的流程：

這里提前劇透一下，當(dāng)隊列中有元素被移除，在調(diào)用dequeue方法中的notFull.signal()時，會喚醒等待隊列中的線程，并把對應(yīng)的元素添加到隊列中，流程如下：

做一個總結(jié)，在插入元素的幾個方法中，add、offer以及帶有超時的offer方法都是非阻塞的，會立即返回或超時后立即返回，而put方法是阻塞的，只有當(dāng)隊列不滿添加成功后才會被返回。

面試官：講的不錯，講完插入操作了再講講移除操作怎么樣?

Hydra：還是老規(guī)矩，先說非阻塞的方法remove和poll，父類的remove方法還是會調(diào)用子類的poll方法，不同的是remove方法在隊列為空時拋出異常，而poll會直接返回null。這兩個方法的核心還是調(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)組長度相等，如果相等還是按之前循環(huán)隊列的理論，將它的索引置為0，并將隊列的中的計數(shù)減1。

有一個隊列初始化時有5個元素，我們對齊分別進(jìn)行5次的出隊操作，查看索引下標(biāo)的變化情況：

然后我們還是結(jié)合take方法來說明線程的掛起和喚醒的操作，與put方法相對，take用于阻塞獲取元素，來看一下它的源碼：

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

take是一個可以被中斷的阻塞獲取元素的方法，首先判斷隊列是否為空，如果隊列不為空那么就調(diào)用dequeue方法移除元素，如果隊列為空時就調(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，才會喚醒等待隊列中被掛起的線程?？梢詤⒖枷旅娴膱D來理解：

當(dāng)有其他線程向隊列中插入元素后：

入隊的enqueue方法會調(diào)用notEmpty.signal()，喚醒等待隊列中firstWaiter指向的節(jié)中的線程，并且該線程會調(diào)用dequeue完成元素的出隊操作。到這移除的操作就也分析完了，至于開頭為什么說ArrayBlockingQueue是線程安全的，看到每個方法前都通過全局單例的lock加鎖，相信你也應(yīng)該明白了