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Java concurrency集合之ConcurrentLinkedQueue_動力節(jié)點Java學院整理

 更新時間:2017年06月09日 16:38:29   投稿:mrr  
這篇文章主要介紹了Java concurrency集合之ConcurrentLinkedQueue,需要的朋友可以參考下

ConcurrentLinkedQueue介紹

ConcurrentLinkedQueue是線程安全的隊列,它適用于“高并發(fā)”的場景。

它是一個基于鏈接節(jié)點的無界線程安全隊列,按照 FIFO(先進先出)原則對元素進行排序。隊列元素中不可以放置null元素(內(nèi)部實現(xiàn)的特殊節(jié)點除外)。 

ConcurrentLinkedQueue原理和數(shù)據(jù)結構

ConcurrentLinkedQueue的數(shù)據(jù)結構,如下圖所示:

說明:

1. ConcurrentLinkedQueue繼承于AbstractQueue。

2. ConcurrentLinkedQueue內(nèi)部是通過鏈表來實現(xiàn)的。它同時包含鏈表的頭節(jié)點head和尾節(jié)點tail。ConcurrentLinkedQueue按照 FIFO(先進先出)原則對元素進行排序。元素都是從尾部插入到鏈表,從頭部開始返回。

3. ConcurrentLinkedQueue的鏈表Node中的next的類型是volatile,而且鏈表數(shù)據(jù)item的類型也是volatile。關于volatile,我們知道它的語義包含:“即對一個volatile變量的讀,總是能看到(任意線程)對這個volatile變量最后的寫入”。ConcurrentLinkedQueue就是通過volatile來實現(xiàn)多線程對競爭資源的互斥訪問的。 

ConcurrentLinkedQueue函數(shù)列表

// 創(chuàng)建一個最初為空的 ConcurrentLinkedQueue。
ConcurrentLinkedQueue()
// 創(chuàng)建一個最初包含給定 collection 元素的 ConcurrentLinkedQueue,按照此 collection 迭代器的遍歷順序來添加元素。
ConcurrentLinkedQueue(Collection<? extends E> c)
// 將指定元素插入此隊列的尾部。
boolean add(E e)
// 如果此隊列包含指定元素,則返回 true。
boolean contains(Object o)
// 如果此隊列不包含任何元素,則返回 true。
boolean isEmpty()
// 返回在此隊列元素上以恰當順序進行迭代的迭代器。
Iterator<E> iterator()
// 將指定元素插入此隊列的尾部。
boolean offer(E e)
// 獲取但不移除此隊列的頭;如果此隊列為空,則返回 null。
E peek()
// 獲取并移除此隊列的頭,如果此隊列為空,則返回 null。
E poll()
// 從隊列中移除指定元素的單個實例(如果存在)。
boolean remove(Object o)
// 返回此隊列中的元素數(shù)量。
int size()
// 返回以恰當順序包含此隊列所有元素的數(shù)組。
Object[] toArray()
// 返回以恰當順序包含此隊列所有元素的數(shù)組;返回數(shù)組的運行時類型是指定數(shù)組的運行時類型。
<T> T[] toArray(T[] a)

下面從ConcurrentLinkedQueue的創(chuàng)建,添加,刪除這幾個方面對它進行分析。

1 創(chuàng)建

下面以ConcurrentLinkedQueue()來進行說明。

public ConcurrentLinkedQueue() {
 head = tail = new Node<E>(null);
}

說明:在構造函數(shù)中,新建了一個“內(nèi)容為null的節(jié)點”,并設置表頭head和表尾tail的值為新節(jié)點。

head和tail的定義如下:

private transient volatile Node<E> head;
private transient volatile Node<E> tail;

head和tail都是volatile類型,他們具有volatile賦予的含義:“即對一個volatile變量的讀,總是能看到(任意線程)對這個volatile變量最后的寫入”。

Node的聲明如下:

private static class Node<E> {
 volatile E item;
 volatile Node<E> next;
 Node(E item) {
 UNSAFE.putObject(this, itemOffset, item);
 }
 boolean casItem(E cmp, E val) {
 return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, itemOffset, cmp, val);
 }
 void lazySetNext(Node<E> val) {
 UNSAFE.putOrderedObject(this, nextOffset, val);
 }
 boolean casNext(Node<E> cmp, Node<E> val) {
 return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, nextOffset, cmp, val);
 }
 // Unsafe mechanics
 private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
 private static final long itemOffset;
 private static final long nextOffset;
 static {
 try {
  UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
  Class k = Node.class;
  itemOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
  (k.getDeclaredField("item"));
  nextOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
  (k.getDeclaredField("next"));
 } catch (Exception e) {
  throw new Error(e);
 }
 }
}

說明:

Node是個單向鏈表節(jié)點,next用于指向下一個Node,item用于存儲數(shù)據(jù)。Node中操作節(jié)點數(shù)據(jù)的API,都是通過Unsafe機制的CAS函數(shù)實現(xiàn)的;例如casNext()是通過CAS函數(shù)“比較并設置節(jié)點的下一個節(jié)點”。

2. 添加

下面以add(E e)為例對ConcurrentLinkedQueue中的添加進行說明。

public boolean add(E e) {
 return offer(e);
}

說明:add()實際上是調(diào)用的offer()來完成添加操作的。

offer()的源碼如下:

public boolean offer(E e) {
 // 檢查e是不是null,是的話拋出NullPointerException異常。
 checkNotNull(e);
 // 創(chuàng)建新的節(jié)點
 final Node<E> newNode = new Node<E>(e);

 // 將“新的節(jié)點”添加到鏈表的末尾。
 for (Node<E> t = tail, p = t;;) {
 Node<E> q = p.next;
 // 情況1:q為空
 if (q == null) {
  // CAS操作:如果“p的下一個節(jié)點為null”(即p為尾節(jié)點),則設置p的下一個節(jié)點為newNode。
  // 如果該CAS操作成功的話,則比較“p和t”(若p不等于t,則設置newNode為新的尾節(jié)點),然后返回true。
  // 如果該CAS操作失敗,這意味著“其它線程對尾節(jié)點進行了修改”,則重新循環(huán)。
  if (p.casNext(null, newNode)) {
  if (p != t) // hop two nodes at a time
   casTail(t, newNode); // Failure is OK.
  return true;
  }
 }
 // 情況2:p和q相等
 else if (p == q)
  p = (t != (t = tail)) ? t : head;
 // 情況3:其它
 else
  p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q;
 }
}

說明:offer(E e)的作用就是將元素e添加到鏈表的末尾。offer()比較的地方是理解for循環(huán),下面區(qū)分3種情況對for進行分析。

情況1 -- q為空。這意味著q是尾節(jié)點的下一個節(jié)點。此時,通過p.casNext(null, newNode)將“p的下一個節(jié)點設為newNode”,若設置成功的話,則比較“p和t”(若p不等于t,則設置newNode為新的尾節(jié)點),然后返回true。否則的話(意味著“其它線程對尾節(jié)點進行了修改”),什么也不做,繼續(xù)進行for循環(huán)。

p.casNext(null, newNode),是調(diào)用CAS對p進行操作。若“p的下一個節(jié)點等于null”,則設置“p的下一個節(jié)點等于newNode”;設置成功的話,返回true,失敗的話返回false。

情況2 -- p和q相等。這種情況什么時候會發(fā)生呢?通過“情況3”,我們知道,經(jīng)過“情況3”的處理后,p的值可能等于q。

此時,若尾節(jié)點沒有發(fā)生變化的話,那么,應該是頭節(jié)點發(fā)生了變化,則設置p為頭節(jié)點,然后重新遍歷鏈表;否則(尾節(jié)點變化的話),則設置p為尾節(jié)點。

情況3 -- 其它。

我們將p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q;轉(zhuǎn)換成如下代碼。

if (p==t) {
 p = q;
} else {
 Node<E> tmp=t;
 t = tail;
 if (tmp==t) {
 p=q;
 } else {
 p=t;
 }
}

如果p和t相等,則設置p為q。否則的話,判斷“尾節(jié)點是否發(fā)生變化”,沒有變化的話,則設置p為q;否則,設置p為尾節(jié)點。

checkNotNull()的源碼如下:

private static void checkNotNull(Object v) {
 if (v == null)
 throw new NullPointerException();
} 

3. 刪除

下面以poll()為例對ConcurrentLinkedQueue中的刪除進行說明。

public E poll() {
 // 設置“標記”
 restartFromHead:
 for (;;) {
 for (Node<E> h = head, p = h, q;;) {
  E item = p.item;

  // 情況1
  // 表頭的數(shù)據(jù)不為null,并且“設置表頭的數(shù)據(jù)為null”這個操作成功的話;
  // 則比較“p和h”(若p!=h,即表頭發(fā)生了變化,則更新表頭,即設置表頭為p),然后返回原表頭的item值。
  if (item != null && p.casItem(item, null)) {
  if (p != h) // hop two nodes at a time
   updateHead(h, ((q = p.next) != null) ? q : p);
  return item;
  }
  // 情況2
  // 表頭的下一個節(jié)點為null,即鏈表只有一個“內(nèi)容為null的表頭節(jié)點”。則更新表頭為p,并返回null。
  else if ((q = p.next) == null) {
  updateHead(h, p);
  return null;
  }
  // 情況3
  // 這可能到由于“情況4”的發(fā)生導致p=q,在該情況下跳轉(zhuǎn)到restartFromHead標記重新操作。
  else if (p == q)
  continue restartFromHead;
  // 情況4
  // 設置p為q
  else
  p = q;
 }
 }
}

說明:poll()的作用就是刪除鏈表的表頭節(jié)點,并返回被刪節(jié)點對應的值。poll()的實現(xiàn)原理和offer()比較類似,下面根將or循環(huán)劃分為4種情況進行分析。

情況1:“表頭節(jié)點的數(shù)據(jù)”不為null,并且“設置表頭節(jié)點的數(shù)據(jù)為null”這個操作成功。

p.casItem(item, null) -- 調(diào)用CAS函數(shù),比較“節(jié)點p的數(shù)據(jù)值”與item是否相等,是的話,設置節(jié)點p的數(shù)據(jù)值為null。

在情況1發(fā)生時,先比較“p和h”,若p!=h,即表頭發(fā)生了變化,則調(diào)用updateHead()更新表頭;然后返回刪除節(jié)點的item值。

updateHead()的源碼如下:

final void updateHead(Node<E> h, Node<E> p) {
 if (h != p && casHead(h, p))
 h.lazySetNext(h);
}

說明:updateHead()的最終目的是更新表頭為p,并設置h的下一個節(jié)點為h本身。

casHead(h,p)是通過CAS函數(shù)設置表頭,若表頭等于h的話,則設置表頭為p。

lazySetNext()的源碼如下:

void lazySetNext(Node<E> val) {
 UNSAFE.putOrderedObject(this, nextOffset, val);
}

putOrderedObject()函數(shù),我們在前面一章“TODO”中介紹過。h.lazySetNext(h)的作用是通過CAS函數(shù)設置h的下一個節(jié)點為h自身,該設置可能會延遲執(zhí)行。

情況2:如果表頭的下一個節(jié)點為null,即鏈表只有一個“內(nèi)容為null的表頭節(jié)點”。

則調(diào)用updateHead(h, p),將表頭更新p;然后返回null。

情況3:p=q

在“情況4”的發(fā)生后,會導致p=q;此時,“情況3”就會發(fā)生。當“情況3”發(fā)生后,它會跳轉(zhuǎn)到restartFromHead標記重新操作。

情況4:其它情況。

設置p=q。

ConcurrentLinkedQueue示例

import java.util.*;
 import java.util.concurrent.*;
 /*
 * ConcurrentLinkedQueue是“線程安全”的隊列,而LinkedList是非線程安全的。
 *
 * 下面是“多個線程同時操作并且遍歷queue”的示例
 * (01) 當queue是ConcurrentLinkedQueue對象時,程序能正常運行。
 * (02) 當queue是LinkedList對象時,程序會產(chǎn)生ConcurrentModificationException異常。
 *
 *
 */
 public class ConcurrentLinkedQueueDemo1 {
 // TODO: queue是LinkedList對象時,程序會出錯。
 //private static Queue<String> queue = new LinkedList<String>();
 private static Queue<String> queue = new ConcurrentLinkedQueue<String>();
 public static void main(String[] args) {
  // 同時啟動兩個線程對queue進行操作!
  new MyThread("ta").start();
  new MyThread("tb").start();
 }
 private static void printAll() {
  String value;
  Iterator iter = queue.iterator();
  while(iter.hasNext()) {
  value = (String)iter.next();
  System.out.print(value+", ");
  }
  System.out.println();
 }
 private static class MyThread extends Thread {
  MyThread(String name) {
  super(name);
  }
  @Override
  public void run() {
   int i = 0;
  while (i++ < 6) {
   // “線程名” + "-" + "序號"
   String val = Thread.currentThread().getName()+i;
   queue.add(val);
   // 通過“Iterator”遍歷queue。
   printAll();
  }
  }
 }
 }

(某一次)運行結果:

ta1, ta1, tb1, tb1,
ta1, ta1, tb1, tb1, ta2, ta2, tb2, 
tb2, 
ta1, ta1, tb1, tb1, ta2, ta2, tb2, tb2, ta3, tb3, 
ta3, ta1, tb3, tb1, ta4, 
ta2, ta1, tb2, tb1, ta3, ta2, tb3, tb2, ta4, ta3, tb4, 
tb3, ta1, ta4, tb1, tb4, ta2, ta5, 
tb2, ta1, ta3, tb1, tb3, ta2, ta4, tb2, tb4, ta3, ta5, tb3, tb5, 
ta4, ta1, tb4, tb1, ta5, ta2, tb5, tb2, ta6, 
ta3, ta1, tb3, tb1, ta4, ta2, tb4, tb2, ta5, ta3, tb5, tb3, ta6, ta4, tb6, 
tb4, ta5, tb5, ta6, tb6, 

結果說明:如果將源碼中的queue改成LinkedList對象時,程序會產(chǎn)生ConcurrentModificationException異常。

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