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什么是 LinkedBlockingQueue？

LinkedBlockingQueue 是 Java 中一个线程安全的 阻塞队列，它位于 java.util.concurrent 包中，底层使用 链表 实现。它被广泛用于生产者-消费者模型中，可以在多线程环境下安全地传递和管理数据。

它的核心特点是：

• 容量限制：可以指定容量限制，防止无限制增长。
• 线程安全：通过内置的锁机制（分离读写锁），实现线程安全。
• 阻塞行为：在队列满时生产者线程阻塞，在队列空时消费者线程阻塞。

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关键特性

1. 基于链表实现：

   • 队列的元素通过链表节点存储，动态扩展，避免了数组实现中的容量问题。

2. 容量控制：

   • 在构造时可以指定队列的最大容量。如果不指定，默认容量为 Integer.MAX_VALUE。

3. 线程安全：

   • 使用了两把独立的锁：putLock（用于插入操作）和 takeLock（用于移除操作）。读写操作可以并发执行，提升性能。

4. 阻塞操作：

   • 提供阻塞的 put 和 take 方法：
     • put：如果队列满，当前线程会阻塞直到有空余空间。
     • take：如果队列为空，当前线程会阻塞直到队列有元素。

5. 非阻塞操作：

   • 提供非阻塞的 offer 和 poll 方法，可以指定等待时间：
     • offer：尝试插入元素，若队列满则返回 false。
     • poll：尝试移除元素，若队列空则返回 null。

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主要方法

方法名	描述
put(E e)	阻塞地将元素放入队列，如果队列满则等待空间。
take()	阻塞地从队列取出元素，如果队列空则等待元素。
offer(E e)	尝试将元素放入队列，若队列满则返回 false。
offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)	尝试在指定时间内将元素放入队列，如果超时则返回 false。
poll()	尝试从队列取出元素，若队列空则返回 null。
poll(long timeout, TimeUnit unit)	尝试在指定时间内取出元素，如果超时则返回 null。
peek()	查看队列头部元素，但不移除，若队列为空返回 null。
size()	返回队列中当前的元素个数。
remainingCapacity()	返回队列的剩余空间（容量 - 当前大小）。
drainTo(Collection<? super E> c)	将队列中所有元素转移到另一个集合中，并清空队列。

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核心原理

1. 链表结构

LinkedBlockingQueue 的底层是一个链表，其节点由静态内部类 Node 定义，每个节点存储一个元素。链表的结构如下：

2. 锁分离

LinkedBlockingQueue 使用了两个独立的锁 putLock 和 takeLock：

• putLock：控制插入操作。
• takeLock：控制取出操作。
• 锁分离允许插入和取出操作可以同时进行，提升并发性能。

此外，还使用了两个条件变量 notEmpty 和 notFull 来实现阻塞机制：

• notEmpty：当队列不为空时通知等待的消费者线程。
• notFull：当队列未满时通知等待的生产者线程。

3. 容量限制

• LinkedBlockingQueue 的容量可以在创建时指定。默认容量是 Integer.MAX_VALUE。
• 如果队列已满，生产者线程会阻塞直到有空余空间。
• 如果队列为空，消费者线程会阻塞直到有新的元素被插入。

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代码示例

基本使用

import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;public class LinkedBlockingQueueExample {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {// 创建一个容量为3的阻塞队列LinkedBlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<>(3);// 向队列中插入元素queue.put(1);queue.put(2);queue.put(3);// 尝试插入元素（阻塞，因为队列已满）new Thread(() -> {try {System.out.println("Trying to add element...");queue.put(4);System.out.println("Element added!");} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}).start();// 取出元素，释放空间Thread.sleep(2000);System.out.println("Taking element: " + queue.take());}
}

生产者-消费者模型

import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;public class ProducerConsumer {public static void main(String[] args) {LinkedBlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<>(5);// 生产者线程Thread producer = new Thread(() -> {try {for (int i = 1; i <= 10; i++) {System.out.println("Produced: " + i);queue.put(i); // 阻塞地放入队列}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}});// 消费者线程Thread consumer = new Thread(() -> {try {while (true) {Integer item = queue.take(); // 阻塞地取出队列System.out.println("Consumed: " + item);}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}});producer.start();consumer.start();}
}

应用场景

1. 生产者-消费者模型：

   • 生产者将任务放入队列，消费者从队列中取出任务进行处理。
   • 通过阻塞机制自动协调生产和消费的速度。

2. 多线程通信：

   • 在线程间传递数据，避免显式的同步操作。

3. 任务调度：

   • 用于线程池的工作队列，存储需要执行的任务。

优缺点

优点

1. 线程安全： 内置锁机制，读写操作独立。
2. 容量控制： 可以防止内存占用过多。
3. 阻塞功能： 自动协调生产和消费速度，无需手动管理同步。

缺点

1. 性能较低： 相比非阻塞队列，锁机制可能带来一定的性能开销。
2. 扩展性有限： 无法灵活调整容量限制。

LinkedBlockingQueue 底层实现
关于阻塞机制-CSDN博客