LinkedBlockingDeque介绍
LinkedBlockingDeque是双向链表实现的双向并发阻塞队列。该阻塞队列同时支持FIFO和FILO两种操作方式，即可以从队列的头和尾同时操作(插入/删除)；并且，该阻塞队列是支持线程安全。
此外，LinkedBlockingDeque还是可选容量的(防止过度膨胀)，即可以指定队列的容量。如果不指定，默认容量大小等于Integer.MAX_VALUE。
LinkedBlockingDeque原理和数据结构
LinkedBlockingDeque的数据结构，如下图所示：
说明：
1. LinkedBlockingDeque继承于AbstractQueue，它本质上是一个支持FIFO和FILO的双向的队列。
2. LinkedBlockingDeque实现了BlockingDeque接口，它支持多线程并发。当多线程竞争同一个资源时，某线程获取到该资源之后，其它线程需要阻塞等待。
3. LinkedBlockingDeque是通过双向链表实现的。
3.1 first是双向链表的表头。
3.2 last是双向链表的表尾。
3.3 count是LinkedBlockingDeque的实际大小，即双向链表中当前节点个数。
3.4 capacity是LinkedBlockingDeque的容量，它是在创建LinkedBlockingDeque时指定的。
3.5 lock是控制对LinkedBlockingDeque的互斥锁，当多个线程竞争同时访问LinkedBlockingDeque时，某线程获取到了互斥锁lock，其它线程则需要阻塞等待，直到该线程释放lock，其它线程才有机会获取lock从而获取cpu执行权。
3.6 notEmpty和notFull分别是“非空条件”和“未满条件”。通过它们能够更加细腻进行并发控制。
LinkedBlockingDeque函数列表
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// 创建一个容量为 Integer.MAX_VALUE 的 LinkedBlockingDeque。LinkedBlockingDeque()// 创建一个容量为 Integer.MAX_VALUE 的 LinkedBlockingDeque，最初包含给定 collection 的元素，以该 collection 迭代器的遍历顺序添加。LinkedBlockingDeque(Collection<? extends E> c)// 创建一个具有给定（固定）容量的 LinkedBlockingDeque。LinkedBlockingDeque(int capacity)// 在不违反容量限制的情况下，将指定的元素插入此双端队列的末尾。boolean add(E e)// 如果立即可行且不违反容量限制，则将指定的元素插入此双端队列的开头；如果当前没有空间可用，则抛出 IllegalStateException。void addFirst(E e)// 如果立即可行且不违反容量限制，则将指定的元素插入此双端队列的末尾；如果当前没有空间可用，则抛出 IllegalStateException。void addLast(E e)// 以原子方式 (atomically) 从此双端队列移除所有元素。void clear()// 如果此双端队列包含指定的元素，则返回 true。boolean contains(Object o)// 返回在此双端队列的元素上以逆向连续顺序进行迭代的迭代器。Iterator<E> descendingIterator()// 移除此队列中所有可用的元素，并将它们添加到给定 collection 中。int drainTo(Collection<? super E> c)// 最多从此队列中移除给定数量的可用元素，并将这些元素添加到给定 collection 中。int drainTo(Collection<? super E> c, int maxElements)// 获取但不移除此双端队列表示的队列的头部。E element()// 获取，但不移除此双端队列的第一个元素。E getFirst()// 获取，但不移除此双端队列的最后一个元素。E getLast()// 返回在此双端队列元素上以恰当顺序进行迭代的迭代器。Iterator<E> iterator()// 如果立即可行且不违反容量限制，则将指定的元素插入此双端队列表示的队列中（即此双端队列的尾部），并在成功时返回 true；如果当前没有空间可用，则返回 false。boolean offer(E e)// 将指定的元素插入此双端队列表示的队列中（即此双端队列的尾部），必要时将在指定的等待时间内一直等待可用空间。boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)// 如果立即可行且不违反容量限制，则将指定的元素插入此双端队列的开头，并在成功时返回 true；如果当前没有空间可用，则返回 false。boolean offerFirst(E e)// 将指定的元素插入此双端队列的开头，必要时将在指定的等待时间内等待可用空间。boolean offerFirst(E e, long timeout, TimeUnit unit)// 如果立即可行且不违反容量限制，则将指定的元素插入此双端队列的末尾，并在成功时返回 true；如果当前没有空间可用，则返回 false。boolean offerLast(E e)// 将指定的元素插入此双端队列的末尾，必要时将在指定的等待时间内等待可用空间。boolean offerLast(E e, long timeout, TimeUnit unit)// 获取但不移除此双端队列表示的队列的头部（即此双端队列的第一个元素）；如果此双端队列为空，则返回 null。E peek()// 获取，但不移除此双端队列的第一个元素；如果此双端队列为空，则返回 null。E peekFirst()// 获取，但不移除此双端队列的最后一个元素；如果此双端队列为空，则返回 null。E peekLast()// 获取并移除此双端队列表示的队列的头部（即此双端队列的第一个元素）；如果此双端队列为空，则返回 null。E poll()// 获取并移除此双端队列表示的队列的头部（即此双端队列的第一个元素），如有必要将在指定的等待时间内等待可用元素。E poll(long timeout, TimeUnit unit)// 获取并移除此双端队列的第一个元素；如果此双端队列为空，则返回 null。E pollFirst()// 获取并移除此双端队列的第一个元素，必要时将在指定的等待时间等待可用元素。E pollFirst(long timeout, TimeUnit unit)// 获取并移除此双端队列的最后一个元素；如果此双端队列为空，则返回 null。E pollLast()// 获取并移除此双端队列的最后一个元素，必要时将在指定的等待时间内等待可用元素。E pollLast(long timeout, TimeUnit unit)// 从此双端队列所表示的堆栈中弹出一个元素。E pop()// 将元素推入此双端队列表示的栈。void push(E e)// 将指定的元素插入此双端队列表示的队列中（即此双端队列的尾部），必要时将一直等待可用空间。void put(E e)// 将指定的元素插入此双端队列的开头，必要时将一直等待可用空间。void putFirst(E e)// 将指定的元素插入此双端队列的末尾，必要时将一直等待可用空间。void putLast(E e)// 返回理想情况下（没有内存和资源约束）此双端队列可不受阻塞地接受的额外元素数。int remainingCapacity()// 获取并移除此双端队列表示的队列的头部。E remove()// 从此双端队列移除第一次出现的指定元素。boolean remove(Object o)// 获取并移除此双端队列第一个元素。E removeFirst()// 从此双端队列移除第一次出现的指定元素。boolean removeFirstOccurrence(Object o)// 获取并移除此双端队列的最后一个元素。E removeLast()// 从此双端队列移除最后一次出现的指定元素。boolean removeLastOccurrence(Object o)// 返回此双端队列中的元素数。int size()// 获取并移除此双端队列表示的队列的头部（即此双端队列的第一个元素），必要时将一直等待可用元素。E take()// 获取并移除此双端队列的第一个元素，必要时将一直等待可用元素。E takeFirst()// 获取并移除此双端队列的最后一个元素，必要时将一直等待可用元素。E takeLast()// 返回以恰当顺序（从第一个元素到最后一个元素）包含此双端队列所有元素的数组。Object[] toArray()// 返回以恰当顺序包含此双端队列所有元素的数组；返回数组的运行时类型是指定数组的运行时类型。<T> T[] toArray(T[] a)// 返回此 collection 的字符串表示形式。String toString() |
下面从ArrayBlockingQueue的创建，添加，取出，遍历这几个方面对LinkedBlockingDeque进行分析
1. 创建
下面以LinkedBlockingDeque(int capacity)来进行说明。
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public LinkedBlockingDeque(int capacity) { if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException(); this.capacity = capacity;} |
说明：capacity是“链式阻塞队列”的容量。
LinkedBlockingDeque中相关的数据结果定义如下：
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// “双向队列”的表头transient Node<E> first;// “双向队列”的表尾transient Node<E> last;// 节点数量private transient int count;// 容量private final int capacity;// 互斥锁 , 互斥锁对应的“非空条件notEmpty”, 互斥锁对应的“未满条件notFull”final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();private final Condition notEmpty = lock.newCondition();private final Condition notFull = lock.newCondition(); |
说明：lock是互斥锁，用于控制多线程对LinkedBlockingDeque中元素的互斥访问；而notEmpty和notFull是与lock绑定的条件，它们用于实现对多线程更精确的控制。
双向链表的节点Node的定义如下：
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static final class Node<E> { E item; // 数据 Node<E> prev; // 前一节点 Node<E> next; // 后一节点 Node(E x) { item = x; }} |
2. 添加
下面以offer(E e)为例，对LinkedBlockingDeque的添加方法进行说明。
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public boolean offer(E e) { return offerLast(e);} |
offer()实际上是调用offerLast()将元素添加到队列的末尾。
offerLast()的源码如下：
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public boolean offerLast(E e) { if (e == null) throw new NullPointerException(); // 新建节点 Node<E> node = new Node<E>(e); final ReentrantLock lock = this.lock; // 获取锁 lock.lock(); try { // 将“新节点”添加到双向链表的末尾 return linkLast(node); } finally { // 释放锁 lock.unlock(); }} |
说明：offerLast()的作用，是新建节点并将该节点插入到双向链表的末尾。它在插入节点前，会获取锁；操作完毕，再释放锁。
linkLast()的源码如下：
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private boolean linkLast(Node<E> node) { // 如果“双向链表的节点数量” > “容量”，则返回false，表示插入失败。 if (count >= capacity) return false; // 将“node添加到链表末尾”，并设置node为新的尾节点 Node<E> l = last; node.prev = l; last = node; if (first == null) first = node; else l.next = node; // 将“节点数量”+1 ++count; // 插入节点之后，唤醒notEmpty上的等待线程。 notEmpty.signal(); return true;} |
说明：linkLast()的作用，是将节点插入到双向队列的末尾；插入节点之后，唤醒notEmpty上的等待线程。
3. 删除
下面以take()为例，对LinkedBlockingDeque的取出方法进行说明。
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public E take() throws InterruptedException { return takeFirst();} |
take()实际上是调用takeFirst()队列的第一个元素。
takeFirst()的源码如下：
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public E takeFirst() throws InterruptedException { final ReentrantLock lock = this.lock; // 获取锁 lock.lock(); try { E x; // 若“队列为空”，则一直等待。否则，通过unlinkFirst()删除第一个节点。 while ( (x = unlinkFirst()) == null) notEmpty.await(); return x; } finally { // 释放锁 lock.unlock(); }} |
说明：takeFirst()的作用，是删除双向链表的第一个节点，并返回节点对应的值。它在插入节点前，会获取锁；操作完毕，再释放锁。
unlinkFirst()的源码如下：
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private E unlinkFirst() { // assert lock.isHeldByCurrentThread(); Node<E> f = first; if (f == null) return null; // 删除并更新“第一个节点” 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; // 将“节点数量”-1 --count; // 删除节点之后，唤醒notFull上的等待线程。 notFull.signal(); return item;} |
说明：unlinkFirst()的作用，是将双向队列的第一个节点删除；删除节点之后，唤醒notFull上的等待线程。
4. 遍历
下面对LinkedBlockingDeque的遍历方法进行说明。
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public Iterator<E> iterator() { return new Itr();} |
iterator()实际上是返回一个Iter对象。
Itr类的定义如下：
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private class Itr extends AbstractItr { // “双向队列”的表头 Node<E> firstNode() { return first; } // 获取“节点n的下一个节点” Node<E> nextNode(Node<E> n) { return n.next; }} |
Itr继承于AbstractItr，而AbstractItr的定义如下：
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private abstract class AbstractItr implements Iterator<E> { // next是下一次调用next()会返回的节点。 Node<E> next; // nextItem是next()返回节点对应的数据。 E nextItem; // 上一次next()返回的节点。 private Node<E> lastRet; // 返回第一个节点 abstract Node<E> firstNode(); // 返回下一个节点 abstract Node<E> nextNode(Node<E> n); AbstractItr() { final ReentrantLock lock = LinkedBlockingDeque.this.lock; // 获取“LinkedBlockingDeque的互斥锁” lock.lock(); try { // 获取“双向队列”的表头 next = firstNode(); // 获取表头对应的数据 nextItem = (next == null) ? null : next.item; } finally { // 释放“LinkedBlockingDeque的互斥锁” lock.unlock(); } } // 获取n的后继节点 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“下一个节点是否为null” public boolean hasNext() { return next != null; } // 返回下一个节点 public E next() { if (next == null) throw new NoSuchElementException(); lastRet = next; E x = nextItem; advance(); return x; } // 删除下一个节点 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
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import java.util.*;import java.util.concurrent.*;/** LinkedBlockingDeque是“线程安全”的队列，而LinkedList是非线程安全的。** 下面是“多个线程同时操作并且遍历queue”的示例* (01) 当queue是LinkedBlockingDeque对象时，程序能正常运行。* (02) 当queue是LinkedList对象时，程序会产生ConcurrentModificationException异常。** */public class LinkedBlockingDequeDemo1 { // TODO: queue是LinkedList对象时，程序会出错。 //private static Queue<String> queue = new LinkedList<String>(); private static Queue<String> queue = new LinkedBlockingDeque<String>(); public static void main(String[] args) { // 同时启动两个线程对queue进行操作！ 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) { // “线程名” + "-" + "序号" String val = Thread.currentThread().getName()+i; queue.add(val); // 通过“Iterator”遍历queue。 printAll(); } } }} |
(某一次)运行结果：
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结果说明：示例程序中，启动两个线程(线程ta和线程tb)分别对LinkedBlockingDeque进行操作。以线程ta而言，它会先获取“线程名”+“序号”，然后将该字符串添加到LinkedBlockingDeque中；接着，遍历并输出LinkedBlockingDeque中的全部元素。 线程tb的操作和线程ta一样，只不过线程tb的名字和线程ta的名字不同。
当queue是LinkedBlockingDeque对象时，程序能正常运行。如果将queue改为LinkedList时，程序会产生ConcurrentModificationException异常。
