普通队列存在的问题

大部分场景要求分离向队列放入（生产者）、从队列拿出（消费者）两个角色、它们得由不同的线程来担当，而之前的实现根本没有考虑线程安全问题
队列为空，那么在之前的实现里会返回 null，如果就是硬要拿到一个元素呢？只能不断循环尝试
队列为满，那么再之前的实现里会返回 false，如果就是硬要塞入一个元素呢？只能不断循环尝试

因此我们需要解决的问题有

用锁保证线程安全
用条件变量让等待非空线程与等待不满线程进入等待状态，而不是不断循环尝试，让 CPU 空转

单锁实现

ava 中要防止代码段交错执行，需要使用锁，有两种选择

synchronized 代码块，属于关键字级别提供锁保护，功能少
ReentrantLock 类，功能丰富

ReentrantLock 配合条件变量来实现：

在队列满时，不是立刻返回，而是当前线程进入等待
什么时候队列不满了，再唤醒这个等待的线程，从上次的代码处继续向下运行

offer方法：

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
Condition tailWaits = lock.newCondition(); // 条件变量
int size = 0;public void offer(String e) {lock.lockInterruptibly();try {while (isFull()) {tailWaits.await();	// 当队列满时, 当前线程进入 tailWaits 等待}array[tail] = e;tail++;size++;} finally {lock.unlock();}
}private boolean isFull() {return size == array.length;
}

条件变量底层也是个队列，用来存储这些需要等待的线程，当队列满了，就会将 offer 线程加入条件队列，并暂时释放锁
将来我们的队列如果不满了（由 poll 线程那边得知）可以调用 tailWaits.signal() 来唤醒 tailWaits 中首个等待的线程，被唤醒的线程会再次抢到锁，从上次 await 处继续向下运行

上述关键点：

从 tailWaits 中唤醒的线程，会与新来的 offer 的线程争抢锁，谁能抢到是不一定的，如果后者先抢到，就会导致条件又发生变化
这种情况称之为虚假唤醒，唤醒后应该重新检查条件，看是不是得重新进入等待（while循环）

最终版本：

/*** 单锁实现* @param <E> 元素类型*/
public class BlockingQueue1<E> implements BlockingQueue<E> {private final E[] array;private int head = 0;private int tail = 0;private int size = 0; // 元素个数@SuppressWarnings("all")public BlockingQueue1(int capacity) {array = (E[]) new Object[capacity];}ReentrantLock lock = new ReentrantLock();//单锁Condition tailWaits = lock.newCondition();Condition headWaits = lock.newCondition();//条件变量，底层也是队列@Overridepublic void offer(E e) throws InterruptedException {lock.lockInterruptibly();try {while (isFull()) {tailWaits.await();}array[tail] = e;if (++tail == array.length) {tail = 0;}size++;headWaits.signal();} finally {lock.unlock();}}@Overridepublic void offer(E e, long timeout) throws InterruptedException {lock.lockInterruptibly();try {long t = TimeUnit.MILLISECONDS.toNanos(timeout);while (isFull()) {if (t <= 0) {return;}t = tailWaits.awaitNanos(t);}array[tail] = e;if (++tail == array.length) {tail = 0;}size++;headWaits.signal();} finally {lock.unlock();}}@Overridepublic E poll() throws InterruptedException {lock.lockInterruptibly();try {while (isEmpty()) {headWaits.await();}E e = array[head];array[head] = null; // help GCif (++head == array.length) {head = 0;}size--;tailWaits.signal();return e;} finally {lock.unlock();}}private boolean isEmpty() {return size == 0;}private boolean isFull() {return size == array.length;}
}

注意

JDK 中 BlockingQueue 接口的方法命名与我的示例有些差异
- 方法 offer(E e) 是非阻塞的实现，阻塞实现方法为 put(E e)
- 方法 poll() 是非阻塞的实现，阻塞实现方法为 take()

双锁实现

单锁的缺点在于：

生产和消费几乎是不冲突的，唯一冲突的是生产者和消费者它们有可能同时修改 size
冲突的主要是生产者之间：多个 offer 线程修改 tail
冲突的还有消费者之间：多个 poll 线程修改 head

如果希望进一步提高性能，可以用两把锁

一把锁保护 tail
另一把锁保护 head

初步实现：

@Override	
public void offer(E e) throws InterruptedException {tailLock.lockInterruptibly();try {// 队列满等待while (isFull()) {tailWaits.await();}// 不满则入队array[tail] = e;if (++tail == array.length) {tail = 0;}// 修改 size （有问题）size++;} finally {tailLock.unlock();}
}

上面代码的缺点是 size 并不受 tailLock 保护，tailLock 与 headLock 是两把不同的锁，并不能实现互斥的效果。因此，size 需要用下面的代码保证原子性
在这里插入图片描述
最终版本:

两把锁，一把锁生产者，一把锁消费者，生产者的signel需要加生产者的锁，然后唤醒消费者，消费者的signel要加消费者的锁，然后唤醒生产者。
当向队列取元素时：当队列由满到不满时，由消费者唤醒生产者（此时是生产者锁+生产者条件变量.signel），其他情况（由不满到不满）由消费者唤醒消费者。
当向队列存元素时：当队列由空到不空时，由生产者线程唤醒消费者（此时是消费者锁+消费者条件变量.signel），其他情况（由不空到不空时），生产者唤醒生产者。
生产者 / 消费者获得生产者锁与消费者锁是串行，不能嵌套（避免死锁）。

public class BlockingQueue2<E> implements BlockingQueue<E> {private final E[] array;private int head = 0;private int tail = 0;private final AtomicInteger size = new AtomicInteger(0);ReentrantLock headLock = new ReentrantLock();Condition headWaits = headLock.newCondition();ReentrantLock tailLock = new ReentrantLock();Condition tailWaits = tailLock.newCondition();public BlockingQueue2(int capacity) {this.array = (E[]) new Object[capacity];}@Overridepublic void offer(E e) throws InterruptedException {int c;tailLock.lockInterruptibly();try {while (isFull()) {tailWaits.await();}array[tail] = e;if (++tail == array.length) {tail = 0;}            c = size.getAndIncrement();// a. 队列不满, 但不是从满->不满, 由此offer线程唤醒其它offer线程if (c + 1 < array.length) {tailWaits.signal();}} finally {tailLock.unlock();}// b. 从0->不空, 由此offer线程唤醒等待的poll线程if (c == 0) {headLock.lock();try {headWaits.signal();} finally {headLock.unlock();}}}@Overridepublic E poll() throws InterruptedException {E e;int c;headLock.lockInterruptibly();try {while (isEmpty()) {headWaits.await(); }e = array[head]; if (++head == array.length) {head = 0;}c = size.getAndDecrement();// b. 队列不空, 但不是从0变化到不空，由此poll线程通知其它poll线程if (c > 1) {headWaits.signal();}} finally {headLock.unlock();}// a. 从满->不满, 由此poll线程唤醒等待的offer线程if (c == array.length) {tailLock.lock();try {tailWaits.signal();} finally {tailLock.unlock();}}return e;}private boolean isEmpty() {return size.get() == 0;}private boolean isFull() {return size.get() == array.length;}}