LinkedBlockingDeque介紹
LinkedBlockingDeque是雙向鏈表實現的雙向並發阻塞隊列。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)；並且，該阻塞隊列是支持線程安全。
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，默認容量大小等於Integer.MAX_VALUE。
LinkedBlockingDeque原理和數據結構
LinkedBlockingDeque的數據結構，如下圖所示：
說明：
1. LinkedBlockingDeque繼承於AbstractQueue，它本質上是一個支持FIFO和FILO的雙向的隊列。
2. LinkedBlockingDeque實現了BlockingDeque接口，它支持多線程並發。當多線程競爭同一個資源時，某線程獲取到該資源之後，其它線程需要阻塞等待。
3. LinkedBlockingDeque是通過雙向鏈表實現的。
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點個數。
3.4 capacity是LinkedBlockingDeque的容量，它是在創建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並發控制。
LinkedBlockingDeque函數列表
// 創建一個容量為 Integer.MAX_VALUE 的 LinkedBlockingDeque。 LinkedBlockingDeque() // 創建一個容量為 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，並將它們添加到給定 collection 中。 int drainTo(Collection<? super E> c) // 最多從此隊列中移除給定數量的可用元素，並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後一個元素。 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），並在成功時返回 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，並在成功時返回 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，並在成功時返回 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後一個元素；如果此雙端隊列為空，則返回 null。 E peekLast() // 獲取並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() // 獲取並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等待可用元素。 E poll(long timeout, TimeUnit unit) // 獲取並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() // 獲取並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) // 獲取並移除此雙端隊列的最後一個元素；如果此雙端隊列為空，則返回 null。 E pollLast() // 獲取並移除此雙端隊列的最後一個元素，必要時將在指定的等待時間內等待可用元素。 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。 int remainingCapacity() // 獲取並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的指定元素。 boolean remove(Object o) // 獲取並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的指定元素。 boolean removeFirstOccurrence(Object o) // 獲取並移除此雙端隊列的最後一個元素。 E removeLast() // 從此雙端隊列移除最後一次出現的指定元素。 boolean removeLastOccurrence(Object o) // 返回此雙端隊列中的元素數。 int size() // 獲取並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() // 獲取並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() // 獲取並移除此雙端隊列的最後一個元素，必要時將一直等待可用元素。 E takeLast() // 返回以恰當順序（從第一個元素到最後一個元素）包含此雙端隊列所有元素的數組。 Object[] toArray() // 返回以恰當順序包含此雙端隊列所有元素的數組；返回數組的運行時類型是指定數組的運行時類型。 <T> T[] toArray(T[] a) // 返回此 collection 的字符串表示形式。 String toString()
下面從ArrayBlockingQueue的創建，添加，取出，遍歷這幾個方面對LinkedBlockingDeque進行分析
1. 創建
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中相關的數據結果定義如下：
// “雙向隊列”的表頭 transient Node<E> first; // “雙向隊列”的表尾 transient Node<E> last; // 節點數量 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，用於控制多線程對LinkedBlockingDeque中元素的互斥訪問；而notEmpty和notFull是與lock綁定的條件，它們用於實現對多線程更精確的控制。
雙向鏈表的節點Node的定義如下：
static final class Node<E> {
E item; // 數據
Node<E> prev; // 前一節點
Node<E> next; // 後一節點
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();
// 新建節點
Node<E> node = new Node<E>(e);
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 獲取鎖
lock.lock();
try {
// 將“新節點”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，是新建節點並將該節點插入到雙向鏈表的末尾。它在插入節點前，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“雙向鏈表的節點數量” > “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”，並設置node為新的尾節點
Node<E> l = last;
node.prev = l;
last = node;
if (first == null)
first = node;
else
l.next = node;
// 將“節點數量”+1
++count;
// 插入節點之後，喚醒notEmpty上的等待線程。
notEmpty.signal();
return true;
}
說明：linkLast()的作用，是將節點插入到雙向隊列的末尾；插入節點之後，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點，並返回節點對應的值。它在插入節點前，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;
// 刪除並更新“第一個節點”
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“節點數量”-1
--count;
// 刪除節點之後，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點刪除；刪除節點之後，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“節點n的下一個節點”
Node<E> nextNode(Node<E> n) { return n.next; }
}
Itr繼承於AbstractItr，而AbstractItr的定義如下：
private abstract class AbstractItr implements Iterator<E> {
// next是下一次調用next()會返回的節點。
Node<E> next;
// nextItem是next()返回節點對應的數據。
E nextItem;
// 上一次next()返回的節點。
private Node<E> lastRet;
// 返回第一個節點
abstract Node<E> firstNode();
// 返回下一個節點
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();
// 獲取表頭對應的數據
nextItem = (next == null) ? null : next.item;
} finally {
// 釋放“LinkedBlockingDeque的互斥鎖”
lock.unlock();
}
}
// 獲取n的後繼節點
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“下一個節點是否為null”
public boolean hasNext() {
return next != null;
}
// 返回下一個節點
public E next() {
if (next == null)
throw new NoSuchElementException();
lastRet = next;
E x = nextItem;
advance();
return x;
}
// 刪除下一個節點
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“多個線程同時操作並且遍歷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”，然後將該字符串添加到LinkedBlockingDeque中；接著，遍歷並輸出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，程序會產生ConcurrentModificationException異常。
