ConcurrentLinkedQueue

JDK中提供了一系列場(chǎng)景的并發(fā)安全隊(duì)列?？偟膩?lái)說(shuō)，按照實(shí)現(xiàn)方式的不同可分為阻塞隊(duì)列和非阻塞隊(duì)列，前者使用鎖實(shí)現(xiàn)，而后則使用CAS非阻塞算法實(shí)現(xiàn)。

ConcurrentLinkedQueue 內(nèi)部的隊(duì)列使用單向鏈表方式實(shí)現(xiàn)，其中有兩個(gè)volatile 類型的 Node 節(jié)點(diǎn)分別用來(lái)存放隊(duì)列的首、尾節(jié)點(diǎn)。從下面的無(wú)參構(gòu)造函數(shù)可知，默認(rèn)頭、尾節(jié)點(diǎn)都是指向 item 為null 的哨兵節(jié)點(diǎn)。新元素會(huì)被插入隊(duì)列末尾，出隊(duì)時(shí)從隊(duì)列頭部獲取一個(gè)元素。

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

在 Node 節(jié)點(diǎn)內(nèi)部則維護(hù)一個(gè)使用volatile 修飾的變量 item，用來(lái)存放節(jié)點(diǎn)的值;next用來(lái)存放鏈表的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，從而鏈接為一個(gè)單向無(wú)界鏈表。其內(nèi)部則使用 UNSafe 工具類提供的CAS 算法來(lái)保證出入隊(duì)時(shí)操作鏈表的原子性。

下面通過(guò)介紹ConcurrentLinkedQueue的幾個(gè)方法來(lái)介紹其實(shí)現(xiàn)原理。

offer操作： offer操作是在隊(duì)列末尾添加一個(gè)元素，如果傳遞的參數(shù)是null則拋出NPE異常，否則由于ConcurrentLinkedQueue是無(wú)界隊(duì)列，該方法一直會(huì)返回true。另外，由于使用CAS無(wú)阻塞算法，因此該方法不會(huì)阻塞掛起調(diào)用線程。下面具體看下實(shí)現(xiàn)原理。

public boolean offer(E e) {
//（1）e為null這拋出空指針異常
    checkNotNull(e);
    //(2)構(gòu)造Node節(jié)點(diǎn)，在構(gòu)造函數(shù)內(nèi)部調(diào)用unsafe.putObject
    final Node<E> newNode = new Node<E>(e);
    //(3) 從尾節(jié)點(diǎn)插入
    for (Node<E> t = tail, p = t;;) {
        Node<E> q = p.next;
 //(4) 如果q==null說(shuō)明p是尾節(jié)點(diǎn)，則執(zhí)行插入
        if (q == null) {
            // p is last node
            //（5）使用CAS設(shè)置p節(jié)點(diǎn)的next節(jié)點(diǎn)
            if (p.casNext(null, newNode)) {
                // Successful CAS is the linearization point
                // for e to become an element of this queue,
                // and for newNode to become "live".
                   //（6）CAS成功，則說(shuō)明新增節(jié)點(diǎn)已經(jīng)放入鏈表，然后設(shè)置當(dāng)前尾巴節(jié)點(diǎn)

                if (p != t) // hop two nodes at a time
                    casTail(t, newNode);  // Failure is OK.
                return true;
            }
            // Lost CAS race to another thread; re-read next
        }
        else if (p == q)
            // We have fallen off list.  If tail is unchanged, it
            // will also be off-list, in which case we need to
            // jump to head, from which all live nodes are always
            // reachable.  Else the new tail is a better bet.
            p = (t != (t = tail)) ? t : head;
        else
            // Check for tail updates after two hops.
            p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q;
    }
}

• 首先看當(dāng)一個(gè)線程調(diào)用offer(item)時(shí)的情況。首先代碼(1)對(duì)傳參進(jìn)行空檢查， 由于使用 如果為null 則拋出NPE 異常，否則執(zhí)行代碼(2)并使用item作為構(gòu)造函數(shù)參數(shù)創(chuàng)建一 個(gè)新的節(jié)點(diǎn)，然后代碼(3)從隊(duì)列尾部節(jié)點(diǎn)開(kāi)始循環(huán)，打算從隊(duì)列尾部添加元素。這時(shí)候節(jié)點(diǎn)p、t、head、tail同時(shí)指向了item為null的哨兵節(jié)點(diǎn)，由于哨兵節(jié)點(diǎn)的next 節(jié)點(diǎn)為null，所以這里q也指向null。代碼(4)發(fā)現(xiàn)q->null則執(zhí)行代碼(5),通過(guò)CAS 原子操作判斷p節(jié)點(diǎn)的next節(jié)點(diǎn)是否為null，如果為null 則使用節(jié)點(diǎn)newNode替換p的next節(jié)點(diǎn)，然后執(zhí)行代碼(6)，這里由于p=t所以沒(méi)有設(shè)置尾部節(jié)點(diǎn)，然后退出 offer方法。
• 上面是一個(gè)線程調(diào)用offer方法的情況，如果多個(gè)線程同時(shí)調(diào)用，就會(huì)存在多個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行到代碼(5)的情況。假設(shè)線程A調(diào)用offer(item1)，線程B調(diào)用 ofer(item2)，同時(shí)執(zhí)行到代碼(5)p.casNext(null, newNode)。由于CAS的比較設(shè)置操作是原子性的，所以這里假設(shè)線程A先執(zhí)行了比較設(shè)置操作，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前p的 next 節(jié)點(diǎn)確實(shí)是null，則會(huì)原子性地更新next節(jié)點(diǎn)為iteml，這時(shí)候線程B也會(huì)判斷p的next節(jié)點(diǎn)是否為null，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不是null(因?yàn)榫€程A已經(jīng)設(shè)置了p的next節(jié)點(diǎn)為iteml)，則會(huì)跳到代碼(3)，然后執(zhí)行到代碼(4)。

可見(jiàn)，offer 操作中的關(guān)鍵步驟是代碼(5)，通過(guò)原子CAS 操作來(lái)控制某時(shí)只有一個(gè)線程可以追加元素到隊(duì)列末尾。進(jìn)行CAS 競(jìng)爭(zhēng)失敗的線程會(huì)通過(guò)循環(huán)一次次嘗試進(jìn)行 CAS操作，直到CAS 成功才會(huì)返回，也就是通過(guò)使用無(wú)限循環(huán)不斷進(jìn)行 CAS 嘗試方式來(lái)替代阻塞算法掛起調(diào)用線程。相比阻塞算法，這是使用CPU資源換取阻塞所帶來(lái)的開(kāi)銷。

add操作：

add操作是在鏈表尾部添加一個(gè)元素，其實(shí)在內(nèi)部調(diào)用的還是offer操作。

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

poll操作：

poll操作是在隊(duì)列頭部獲取并移除一個(gè)元素，如果隊(duì)列為空則返回null。

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

            if (item != null && p.casItem(item, null)) {
                // Successful CAS is the linearization point
                // for item to be removed from this queue.
                if (p != h) // hop two nodes at a time
                    updateHead(h, ((q = p.next) != null) ? q : p);
                return item;
            }
            else if ((q = p.next) == null) {
                updateHead(h, p);
                return null;
            }
            else if (p == q)
                continue restartFromHead;
            else
                p = q;
        }
    }
}

poll方法在移除一個(gè)元素時(shí)，只是簡(jiǎn)單地使用 CAS操作把當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的item值設(shè)置為null，然后通過(guò)重新設(shè)置頭節(jié)點(diǎn)將該元素從隊(duì)列里面移除，被移除的節(jié)點(diǎn)就成了孤立節(jié)點(diǎn)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)在垃圾回收時(shí)被回收掉。另外，如果在執(zhí)行分支中發(fā)現(xiàn)頭節(jié)點(diǎn)被修改了，要跳到外層循環(huán)重新獲取新的頭節(jié)點(diǎn)。

peak操作：

peak操作是獲取隊(duì)列頭部獲一個(gè)元素，如果隊(duì)列為空則返回null。

public E peek() {
    restartFromHead:
    for (;;) {
        for (Node<E> h = head, p = h, q;;) {
            E item = p.item;
            
            //注釋
            if (item != null || (q = p.next) == null) {
                updateHead(h, p);
                return item;
            }
            else if (p == q)
                continue restartFromHead;
            else
                p = q;
        }
    }
}

Peek操作的代碼結(jié)構(gòu)與poll操作類似，不同之處在于我們?cè)诖a中標(biāo)記注釋的地方中少了castItem操作。其實(shí)這很正常，因?yàn)閜eek只是獲取隊(duì)列頭元素值，并不清空其值。根據(jù)前面的介紹我們知道第一次執(zhí)行offer后head指向的是哨兵節(jié)點(diǎn)(也就是item為null的節(jié)點(diǎn))，那么第一次執(zhí)行peek時(shí)在注釋處會(huì)發(fā)現(xiàn)item==null，然后執(zhí)行q=p.next，這時(shí)候q節(jié)點(diǎn)指向的才是隊(duì)列里面第一個(gè)真正的元素，或者如果隊(duì)列為 null 則 q 指向 null。

到此這篇關(guān)于Java并發(fā)編程之ConcurrentLinkedQueue隊(duì)列詳情的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java并發(fā)編程 ConcurrentLinkedQueue 內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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