Question

linkedblockingqueue是线程安全的么

Answer 1

数据结构
链表节点
既然是链表，那么肯定少不了节点，节点自然包括节点内容和next指针。jdk开发人员，设计的节点是这样的：
static class Node<E> {
E item;
/**
* One of:
* - the real successor Node
* - this Node, meaning the successor is head.next
* - null, meaning there is no successor (this is the last node)
*/
Node<E> next;
Node(E x) { item = x; }
}

在这里，用到了java范型的机制，用来保存不同类型的对象。
上述节点，提供了一个构造函数，用来传入需要保存的内容，这里的构造函数没有判断传入参数是否合法，因为在所有public方法中，已经判断过了，这里无需进行再次判断。

链表的指针
LInkedBlockingQueue中的链表，包含头指针和尾指针，其中：
头指针用来管理元素出队，和 take(), poll(), peek() 三个操作关联
尾指针用来管理元素入队，和 put(), offer() 两个操作关联
具体的数据结构定义如下：
private transient Node<E> head; /* 头结点, 头节点不保存数据信息 */
private transient Node<E> last; /* 尾节点, 尾节点保存最新入队的数据信息 */

链表的容量和大小
LinkedBlockingQueue是有大小限制的，当队列满后不能继续入队，同时，也有一个变量记录当前队列中的元素数量：
private final int capacity; /* 队列容量一般使用中，构造LinkedBlockingQueue时，需要传入当前队列大小，如果不传入，默认是Integer.MAX_VALUE */
private final AtomicInteger count = new AtomicInteger(0); // 队列当前大小

注意：这里的count对象，是原子类型，而不是一般的int类型，与ArrayBlockingQueue中的不符，这是因为LinkedBlockingQueue使用读和写两把锁来控制并发操作，读和写可能同时修改count字段的值，而ArrayBlockingQueue只有一把锁用于控制读写操作，所以count对象是普通的，线程不安全的类型

控制并发的lock和condition
LinkedBlockingQueue中，读和写分别由两把锁控制，两把锁分别管理head节点和last节点的操作，如下所示：
private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock(); /* 读锁 */
private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition(); /* 读锁对应的条件 */
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock(); /* 写锁 */
private final Condition notFull = putLock.newCondition(); /* 写锁对应的条件 */

jdk文档中，解释说，这两把锁的控制，是“two lock queue”算法的一种实现，但具体操作与其有些差异（A variant of the "two lock queue" algorithm.）
关于two lock queue可以参考：http://www.cs.rochester.edu/research/synchronization/pseudocode/queues.html

关键代码解读
入队和出队的核心操作
入队和出队的核心操作，就是对于链表头结点和尾节点的操作，与我们大学学习的数据结构基本一致。因为这些操作，都是private方法，外部已经进行了正确的同步，所以这些方法中，不带任何加锁和解锁的操作。
入队的代码如下所示：
private void enqueue(E x) {
last = last.next = new Node<E>(x);
}
上述代码其实是将三行写成了一行，为了方便学习，这里把其拆开：
private void enqueue(E x) {
Node<E> newNode = new Node<E>(x); /* 新建一个Node对象，此对象的数据部分是新元素的指针，next指针为null */
last.next = newNode ; /* 将目前list节点的next指针指向新对象 */
last =last.next; /* 将last指针向后移动一个元素，指向新的尾端 */
}
出队的代码如下所示：
private E dequeue() {
Node<E> h = head; /* 记录目前头节点的指针 */
Node<E> first = h.next; /* 得到头结点后的第一个节点，即需要出队的数据节点 */
/* 将需要出队的数据的尾节点设置为自己，让此对象变为孤立对象，GC可以进行回收，更重要的是，如果 迭代器引用此节点，迭代器可以通过判断next是否等于自己，来了解迭代器的下一个节点是否应该重定向为头节点 */
h.next = h;
head = first; /* 将头指针指向新的头节点 */
E x = first.item; /* 获取数据元素的内容 */
/* 将头节点所在数据元素设置为null，因为头节点的数据已出队，如果此时再持有其引用，可能造成内存泄漏 */
first.item = null;
return x;
}

入队的public方法
入队的方法有两种，一种是阻塞的方法，另一种是非阻塞的方法，其中：
put()算法，为阻塞算法，直到队列有空余时，才能为队列加入新元素
offer()算法为非阻塞算法，如果队列已满，立即返回或等待一会再返回，通过返回值ture或false，标记本次入队操作是否成功
put的操作算法如下所示：
public void put(E e) throws InterruptedException {
if (e == null) throw new NullPointerException();
int c = -1;
final ReentrantLock putLock = this.putLock;
final AtomicInteger count = this.count;
putLock.lockInterruptibly();
try {
while (count.get() == capacity) {
notFull.await();
}
enqueue(e);
c = count.getAndIncrement();
if (c + 1 < capacity)
notFull.signal(); /* 如果完成当前入队操作后，队列依然有剩余的空间，那么再唤醒另一个等待入队的线程 */
} finally {
putLock.unlock();
}
if (c == 0) /* 如果入队前，队列大小为空，那么唤醒一个等待出队的线程 */
signalNotEmpty();
}

offer的算法与put类似，这里不再赘述。

出队的public方法
出队的方法与入队类似，也分为阻塞和非阻塞两种，其中：
take()算法为阻塞算法，直到队列有非空时，才将允许调用线程取出数据
poll()算法为非阻塞算法，如果队列为空，立即返回或等待一会再返回，通过返回值ture或false，标记本次出队操作是否成功
peek()算法比较特殊，只返回队列中的第一个元素，既不出队，也不阻塞，如果没有元素，就返回null
task操作的算法如下：
public E take() throws InterruptedException {
E x;
int c = -1;
final AtomicInteger count = this.count;
final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
takeLock.lockInterruptibly();
try {
while (count.get() == 0) {
notEmpty.await();
}
x = dequeue();
c = count.getAndDecrement();
if (c > 1)
notEmpty.signal(); /* 如果完成当前入队操作后，队列依然有剩余的元素，那么再唤醒另一个等待出队的线程 */
} finally {
takeLock.unlock();
}
if (c == capacity)
signalNotFull(); /* 如果出队前，队列是满的，那么出队后，队列就空了，需要通知一个等待入队的线程 */
return x;
}

其余算法，与上述算法类似，这里不再赘述。

多线程安全的迭代器
LinkedBlockingQueue的迭代器，是多线程安全的，在获取元素之前，会对上述读锁和写锁同时加锁，同时，为了防止死锁，读锁和写锁的加解锁顺序，也是经过设计的，代码如下：
void fullyLock() {
putLock.lock(); // 先加写锁
takeLock.lock(); // 再加读锁
}

void fullyUnlock() {
takeLock.unlock(); /* 先解锁读锁 */
putLock.unlock(); /* 再解锁写锁 */
}

LinkedBlockingQueue的迭代器中，保存了以下内容：
private Node<E> current; /* 迭代器的下一个位置 */
private Node<E> lastRet; /* 当前迭代器的位置 */
private E currentElement; /* 当前需要返回的元素内容 */

刚看到代码时，觉得好像只要一个指向当前位置的指针就行了，干嘛这么麻烦呢，但JDK的开发人员考虑的比我们周全多了，这三个参数，足以应付任何多线程的问题：
首先，保存了当前需要返回的内容，可以保证在当前节点移除的情况下，迭代器的next()方法，也能返回当前指向的内容，即使先调用hasNext()方法，其他线程删除了当前对象，那么next()方法也可以保证返回正确对象
其次，如果在迭代器中，调用remove()方法，删除了当前对象，那么 lastRet方法就用上了，可以通过再次遍历列表，找到需要删除的对象，并将其删除，同时为了防止remove()方法被调用两次，在删除时，会将 lastRet设置为null，如果只有这一个指针，那么remove()之后，这个迭代器就啥也干不了了
最后，current保存了迭代器的下一个指向的位置，调用hasNext()时，可以立即直到是否还有空余对象，更重要的是，如果在迭代器创建后，其他线程多次调用了出队的方法，可能导致 lastRet和current都变成悬挂的指针了，这时，只要判断current的next是否为自己，就可以知道自己是否已经被出队，是否需要重定向current的位置
关于迭代器的代码精髓，就是上面的描述了，具体代码，不再赘述。

对锁的精巧使用和思考
LinkedBlockingQueue将读和写操作分离，可以让读写操作在不干扰对方的情况下，完成各自的功能，提高并发吞吐量。
在写这篇文章时，我曾经考虑过，如果使用java内置的同步机制，即 synchronized 关键字进行此类读写锁控制，但实际上实现不了，因为java对象在wait和notify时，需要对lock变量加锁，这样就失去了双锁的优势，同时会导致死锁。

防止内存泄漏
设计链表，最大的一点，就是不能出现内存泄漏。
LinkedBlockingQueue在这点上已经做的很优秀，每次移除节点，都将节点的内容字段设置为null，迭代器也是如此，确保不会发生内存泄漏。