一、简介
ArrayBlockingQueue 顾名思义：基于数组的阻塞队列。数组是要指定长度的，所以使用 ArrayBlockingQueue 时必须指定长度，也就是它是一个有界队列。它实现了 BlockingQueue 接口，有着队列、集合以及阻塞队列的所有方法。
ArrayBlockingQueue 是线程安全的，内部使用 ReentrantLock 来保证。ArrayBlockingQueue 支持对生产者线程和消费者线程进行公平的调度。当然默认情况下是不保证公平性的，因为公平性通常会降低吞吐量，但是可以减少可变性和避免线程饥饿问题。
二、数据结构
通常，队列的实现方式有数组和链表两种方式。对于数组这种实现方式来说，我们可以通过维护一个队尾指针，使得在入队的时候可以在 O(1)O(1) 的时间内完成；但是对于出队操作，在删除队头元素之后，必须将数组中的所有元素都往前移动一个位置，这个操作的复杂度达到了 O(n)O(n)，效果并不是很好。如下图所示：
为了解决这个问题，我们可以使用另外一种逻辑结构来处理数组中各个位置之间的关系。假设现在我们有一个数组 A[1…n]，我们可以把它想象成一个环型结构，即 A[n] 之后是 A[1]，相信了解过一致性 Hash 算法的童鞋应该很容易能够理解。
如下图所示：我们可以使用两个指针，分别维护队头和队尾两个位置，使入队和出队操作都可以在 O(1O(1 )的时间内完成。当然，这个环形结构只是逻辑上的结构，实际的物理结构还是一个普通的数组。
讲完 ArrayBlockingQueue 的数据结构，接下来我们从源码层面看看它是如何实现阻塞的。
三、源码分析
3.1 属性
// 队列的底层结构 final Object [] items ; // 队头指针 int takeIndex ; // 队尾指针 int putIndex ; // 队列中的元素个数 int count ; final ReentrantLock lock ; // 并发时的两种状态 private final Condition notEmpty ; private final Condition notFull ;items 是一个数组，用来存放入队的数据；count 表示队列中元素的个数；takeIndex 和 putIndex 分别代表队头和队尾指针。
3.2 构造方法
public ArrayBlockingQueue ( int capacity ) { this ( capacity , false ); } public ArrayBlockingQueue ( int capacity , boolean fair ) { if ( capacity <= 0 ) throw new IllegalArgumentException (); this . items = new Object [ capacity ]; lock = new ReentrantLock ( fair ); notEmpty = lock . newCondition (); notFull = lock . newCondition (); } public ArrayBlockingQueue ( int capacity , boolean fair , Collection <? extends E > c ) { this ( capacity , fair ); final ReentrantLock lock = this . lock ; lock . lock (); // Lock only for visibility, not mutual exclusion try { int i = 0 ; try { for ( E e : c ) { checkNotNull ( e ); items [ i ++] = e ; } } catch ( ArrayIndexOutOfBoundsException ex ) { throw new IllegalArgumentException (); } count = i ; putIndex = ( i == capacity ) ? 0 : i ; } finally { lock . unlock (); } }第一个构造函数只需要指定队列大小，默认为非公平锁；第二个构造函数可以手动指定公平性和队列大小；第三个构造函数里面使用了 ReentrantLock 来加锁，然后把传入的集合元素按顺序一个个放入 items 中。这里加锁目的不是使用它的互斥性，而是让 items 中的元素对其他线程可见（参考 AQS 里的 state 的 volatile 可见性）。
3.3 方法
3.3.1 入队
ArrayBlockingQueue 提供了多种入队操作的实现来满足不同情况下的需求，入队操作有如下几种：
boolean add(E e) void put(E e) boolean offer(E e) boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)（1）add(E e)
public boolean add ( E e ) { return super . add ( e ); } //super.add(e) public boolean add ( E e ) { if ( offer ( e )) return true ; else throw new IllegalStateException ( "Queue full" ); }可以看到 add 方法调用的是父类，也就是 AbstractQueue 的 add 方法，它实际上调用的就是 offer 方法。
（2）offer(E e)
我们接着上面的 add 方法来看 offer 方法：
public boolean offer ( E e ) { checkNotNull ( e ); final ReentrantLock lock = this . lock ; lock . lock (); try { if ( count == items . length ) return false ; else { enqueue ( e ); return true ; } } finally { lock . unlock (); } }offer 方法在队列满了的时候返回 false，否则调用 enqueue 方法插入元素，并返回 true。
private void enqueue ( E x ) { final Object [] items = this . items ; items [ putIndex ] = x ; // 圆环的index操作 if (++ putIndex == items . length ) putIndex = 0 ; count ++; notEmpty . signal (); }enqueue 方法首先把元素放在 items 的 putIndex 位置，接着判断在 putIndex+1 等于队列的长度时把 putIndex 设置为0，也就是上面提到的圆环的 index 操作。最后唤醒等待获取元素的线程。
（3）offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
该方法在 offer(E e) 的基础上增加了超时的概念。
public boolean offer ( E e , long timeout , TimeUnit unit ) throws InterruptedException { checkNotNull ( e ); // 把超时时间转换成纳秒 long nanos = unit . toNanos ( timeout ); final ReentrantLock lock = this . lock ; // 获取一个可中断的互斥锁 lock . lockInterruptibly (); try { // while循环的目的是防止在中断后没有到达传入的timeout时间，继续重试 while ( count == items . length ) { if ( nanos <= 0 ) return false ; // 等待nanos纳秒，返回剩余的等待时间(可被中断) nanos = notFull . awaitNanos ( nanos ); } enqueue ( e ); return true ; } finally { lock . unlock (); } }利用了 Condition 的 awaitNanos 方法，等待指定时间，因为该方法可中断，所以这里利用 while 循环来处理中断后还有剩余时间的问题，等待时间到了以后调用 enqueue 方法放入队列。
（4）put(E e)
public void put ( E e ) throws InterruptedException { checkNotNull ( e ); final ReentrantLock lock = this . lock ; lock . lockInterruptibly (); try { while ( count == items . length ) notFull . await (); enqueue ( e ); } finally { lock . unlock (); } }put 方法在 count 等于 items 长度时，一直等待，直到被其他线程唤醒。唤醒后调用 enqueue 方法放入队列。
3.3.2 出队
入队列的方法说完后，我们来说说出队列的方法。ArrayBlockingQueue 提供了多种出队操作的实现来满足不同情况下的需求，如下：
E poll() E poll(long timeout, TimeUnit unit) E take() drainTo(Collection<? super E> c, int maxElements)（1）poll()
public E poll () { final ReentrantLock lock = this . lock ; lock . lock (); try { return ( count == 0 ) ? null : dequeue (); } finally { lock . unlock (); } }poll 方法是非阻塞方法，如果队列没有元素返回 null，否则调用 dequeue 把队首的元素出队列。
private E dequeue () { final Object [] items = this . items ; @SuppressWarnings ( "unchecked" ) E x = ( E ) items [ takeIndex ]; items [ takeIndex ] = null ; if (++ takeIndex == items . length ) takeIndex = 0 ; count --; if ( itrs != null ) itrs . elementDequeued (); notFull . signal (); return x ; }dequeue 会根据 takeIndex 获取到该位置的元素，并把该位置置为 null，接着利用圆环原理，在 takeIndex 到达列表长度时设置为0，最后唤醒等待元素放入队列的线程。
（2）poll(long timeout, TimeUnit unit)
该方法是 poll() 的可配置超时等待方法，和上面的 offer 一样，使用 while 循环配合 Condition 的 awaitNanos 来进行等待，等待时间到后执行 dequeue 获取元素。
public E poll ( long timeout , TimeUnit unit ) throws InterruptedException { long nanos = unit . toNanos ( timeout ); final ReentrantLock lock = this . lock ; lock . lockInterruptibly (); try { while ( count == 0 ) { if ( nanos <= 0 ) return null ; nanos = notEmpty . awaitNanos ( nanos ); } return dequeue (); } finally { lock . unlock (); } }（3）take()
public E take () throws InterruptedException { final ReentrantLock lock = this . lock ; lock . lockInterruptibly (); try { while ( count == 0 ) notEmpty . await (); return dequeue (); } finally { lock . unlock (); } }
取走队列里排在首位的对象，不同于 poll() 方法，若BlockingQueue为空，就阻塞等待直到有新的数据被加入。
（4）drainTo()
drainTo 相比于其他获取方法，能够一次性从队列中获取所有可用的数据对象（还可以指定获取数据的个数）。通过该方法，可以提升获取数据效率，不需要多次分批加锁或释放锁。
3.3.3 获取元素
public E peek () { final ReentrantLock lock = this . lock ; lock . lock (); try { return itemAt ( takeIndex ); // null when queue is empty } finally { lock . unlock (); } } final E itemAt ( int i ) { return ( E ) items [ i ]; }这里获取元素时上锁是为了避免脏数据的产生。
3.3.4 删除元素
我们可以想象一下，队列中删除某一个元素时，是不是要遍历整个数据找到该元素，并把该元素后的所有元素往前移一位，也就是说，该方法的时间复杂度为 O(n)O(n)。
public boolean remove ( Object o ) { if ( o == null ) return false ; final Object [] items = this . items ; final ReentrantLock lock = this . lock ; lock . lock (); try { if ( count > 0 ) { final int putIndex = this . putIndex ; int i = takeIndex ; // 从takeIndex一直遍历到putIndex，直到找到和元素o相同的元素，调用removeAt进行删除 do { if ( o . equals ( items [ i ])) { removeAt ( i ); return true ; } if (++ i == items . length ) i = 0 ; } while ( i != putIndex ); } return false ; } finally { lock . unlock (); } }remove 方法比较简单，它从 takeIndex 一直遍历到 putIndex，直到找到和元素 o 相同的元素，调用 removeAt 进行删除。我们重点来看一下 removeAt 方法。
void removeAt ( final int removeIndex ) { final Object [] items = this . items ; if ( removeIndex == takeIndex ) { // removing front item; just advance items [ takeIndex ] = null ; if (++ takeIndex == items . length ) takeIndex = 0 ; count --; if ( itrs != null ) itrs . elementDequeued (); } else { // an "interior" remove // slide over all others up through putIndex. final int putIndex = this . putIndex ; for ( int i = removeIndex ;;) { int next = i + 1 ; if ( next == items . length ) next = 0 ; if ( next != putIndex ) { items [ i ] = items [ next ]; i = next ; } else { items [ i ] = null ; this . putIndex = i ; break ; } } count --; if ( itrs != null ) itrs . removedAt ( removeIndex ); } notFull . signal (); }removeAt 的处理方式和我想的稍微有一点出入，它内部分为两种情况来考虑：
removeIndex == takeIndex removeIndex != takeIndex也就是我考虑的时候没有考虑边界问题。当 removeIndex == takeIndex 时就不需要后面的元素整体往前移了，而只需要把 takeIndex的指向下一个元素即可（类比圆环）；当 removeIndex != takeIndex 时，通过 putIndex 将 removeIndex 后的元素往前移一位。
四、总结
ArrayBlockingQueue 是一个阻塞队列，内部由 ReentrantLock 来实现线程安全，由 Condition 的 await 和 signal 来实现等待唤醒的功能。它的数据结构是数组，准确的说是一个循环数组（可以类比一个圆环），所有的下标在到达最大长度时自动从 0 继续开始。
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原文链接：https://juejin.cn/post/6930401738021961742
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