实现一个线程安全的阻塞队列并解释其工作原理

题目

实现一个线程安全的阻塞队列并解释其工作原理

信息

• 类型：问答
• 难度：⭐⭐

考点

线程安全设计,锁机制,生产者-消费者模型,条件变量

快速回答

实现线程安全阻塞队列的核心要点：

• 使用ReentrantLock保证操作原子性
• 通过Condition实现精确的线程等待/唤醒机制
• 维护两个条件变量：notEmpty（非空）和notFull（非满）
• 数组循环存储实现队列数据结构
• 在put()/take()方法中正确处理边界条件

原理说明

阻塞队列的核心是生产者-消费者模型，当队列满时生产者线程阻塞，队列空时消费者线程阻塞。Java并发包通过ReentrantLock和Condition实现：

• 锁机制：ReentrantLock保证put/take操作的原子性
• 条件变量：Condition实现精确的线程调度，比wait()/notify()更灵活
• 循环数组：使用定长数组实现队列，通过头尾指针循环利用空间

代码示例

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class BlockingQueue<T> {
    private final T[] items;
    private int count;
    private int putIndex;
    private int takeIndex;

    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition notFull = lock.newCondition();
    private final Condition notEmpty = lock.newCondition();

    public BlockingQueue(int capacity) {
        items = (T[]) new Object[capacity];
    }

    public void put(T item) throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (count == items.length) {
                notFull.await();  // 队列满时阻塞生产者
            }
            items[putIndex] = item;
            if (++putIndex == items.length) putIndex = 0;  // 循环指针
            count++;
            notEmpty.signal();  // 唤醒消费者
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public T take() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (count == 0) {
                notEmpty.await();  // 队列空时阻塞消费者
            }
            T item = items[takeIndex];
            items[takeIndex] = null;  // 帮助GC
            if (++takeIndex == items.length) takeIndex = 0;  // 循环指针
            count--;
            notFull.signal();  // 唤醒生产者
            return item;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

最佳实践

• 双条件变量：分离空/满两种等待条件，避免无效唤醒
• 循环数组：固定容量避免内存溢出，适合有界队列场景
• 锁释放：务必在finally块中释放锁防止死锁
• 中断处理：方法声明抛出InterruptedException支持响应中断

常见错误

• 单条件变量：使用单个Condition会导致无效唤醒和性能下降
• 未循环指针：忘记重置指针导致数组越界
• 非线程安全操作：直接使用LinkedList等非线程安全集合
• 锁未释放：异常路径中未释放锁造成死锁

扩展知识

• Java内置实现：ArrayBlockingQueue（有界）、LinkedBlockingQueue（可选有界）
• 锁优化：ReentrantLock支持公平/非公平锁，默认非公平锁吞吐量更高
• 性能对比：ConcurrentLinkedQueue使用CAS实现无锁队列，适合超高并发但非阻塞场景
• 条件谓词：while循环检查条件防止虚假唤醒（spurious wakeup）