技术专家面试实战: 用数组实现一个阻塞队列？-白红宇

技术专家面试实战: 用数组实现一个阻塞队列？

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发布时间：2019-03-09

本文共 2999 字，大约阅读时间需要 9 分钟。

ArrayBlockingQueue是一种基于数组实现的阻塞队列，广泛应用于生产者消费者模式中的任务缓冲，如线程池中的工作队列。那么，如何用数组实现这种阻塞队列呢？让我们一步步深入探讨。

ArrayBlockingQueue的核心功能

ArrayBlockingQueue作为一个队列，需要具备入队和出队的基本操作。由于它是阻塞队列，当队列已满时，入队操作应阻塞，直到队列有空位可用；而当队列为空时，出队操作也应阻塞，直到队列中有元素可供获取。同时，由于ArrayBlockingQueue通常在多线程环境中使用，线程安全性是其核心需求。

实现ArrayBlockingQueue的步骤

我们可以将问题分解为两个主要部分：用数组实现队列以及实现条件阻塞和线程安全。

用数组实现队列

实现队列的入队和出队操作，可以通过循环数组的方式来处理。这种方式避免了每次出队都需要移动大量元素的问题，时间复杂度为O(1)。具体来说，我们可以使用两个索引变量，分别记录下一个要入队和下一个要出队的位置。当入队到数组末尾时，从0开始重新计算；同样，当出队到末尾时，也从0开始重新计算。同时，使用一个计数器来存储当前队列的元素数量。

实现条件阻塞和线程安全

在Java中，实现条件等待有两种主要方式：synchronized + Object.wait和Lock + Condition.await。选择后者可以更好地支持线程安全，因为它不仅支持中断，还能支持多个条件。

通过Lock和Condition，我们可以定义两个条件：一个用于检测队列是否不空（notEmpty），另一个用于检测队列是否已满（notFull）。当入队时，先检查队列是否已满，如果满了则调用notFull.await()进行条件等待；入队完成后，唤醒等待不空条件的线程。同样，出队操作也是类似的逻辑。

ArrayBlockingQueue的具体实现

下面是一个实现ArrayBlockingQueue的代码示例：

class ArrayBlockingQueue
   
     {
    private final Object[] items;
    private int takeIndex;
    private int putIndex;
    private int count;
    private ReentrantLock lock;
    private final Condition notEmpty;
    private final Condition notFull;
    public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
        if (capacity <= 0) {
            throw new IllegalArgumentException();
        }
        this.items = new Object[capacity];
        lock = new ReentrantLock();
        notEmpty = lock.newCondition();
        notFull = lock.newCondition();
    }
    private void enqueue(E e) {
        Object[] items = this.items;
        if (putIndex < items.length && count < items.length) {
            items[putIndex] = e;
            putIndex = (putIndex + 1) % items.length;
            count++;
            notFull.signal();
        }
    }
    private E dequeue() {
        Object[] items = this.items;
        E e = (E) items[takeIndex];
        items[takeIndex] = null;
        takeIndex = (takeIndex + 1) % items.length;
        count--;
        notEmpty.signal();
        return e;
    }
    public void put(E e) throws InterruptedException {
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == items.length) {
                notFull.await();
            }
            enqueue(e);
            notEmpty.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public E take() throws InterruptedException {
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == 0) {
                notEmpty.await();
            }
            E e = dequeue();
            notFull.signal();
            return e;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}