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Java高并發(fā)編程之CAS實現(xiàn)無鎖隊列代碼實例

 更新時間:2023年12月07日 11:32:01   作者:Brycen?Liu  
這篇文章主要介紹了Java高并發(fā)編程之CAS實現(xiàn)無鎖隊列代碼實例,在多線程操作中,我們通常會添加鎖來保證線程的安全,那么這樣勢必會影響程序的性能,那么為了解決這一問題,于是就有了在無鎖操作的情況下依然能夠保證線程的安全,需要的朋友可以參考下

一、什么是無鎖(Lock-Free)隊列

在多線程操作中,我們通常會添加鎖來保證線程的安全,那么這樣勢必會影響程序的性能。

那么為了解決這一問題,于是就有了在無鎖操作的情況下依然能夠保證線程的安全,實現(xiàn)無鎖的原理就是利用了Campare and swap(CAS)算法

而我們的無鎖隊列無疑也是使用了這一方法。

二、線程不安全的隊列

package com.brycen.concurrency03.collections.myqueue;
public class UnThreadSafeQueue<E> {
	//定義Node節(jié)點(diǎn)
	private static class Node<E> {
		private E element;//節(jié)點(diǎn)內(nèi)存儲的元素
		private Node<E> next;//下一個節(jié)點(diǎn)
		public Node(E element, Node<E> next) {
			super();
			this.element = element;
			this.next = next;
		}
		public E getElement() {
			return element;
		}
		public void setElement(E element) {
			this.element = element;
		}
		public Node<E> getNext() {
			return next;
		}
		public void setNext(Node<E> next) {
			this.next = next;
		}
		@Override
		public String toString() {
			return (element == null) ? "" : element.toString();
		}
	}
	//定義隊列的頭和尾
	private Node<E> head, last;
	//初始化隊列長度為0
	private int size = 0;
	public int size() {
		return size;
	}
	public boolean isEmpty() {
		return size == 0;
	}
	//返回第一個元素
	public E peekFirst() {
		return head.element == null ? null : head.getElement();
	}
	//返回最后一個元素
	public E peekLast() {
		return last.element == null ? null : last.getElement();
	}
	//在尾部添加元素
	public void addLast(E element) {
		Node<E> newNode = new Node<E>(element, null);
		//如果為0,則代表隊列沒有元素
		if (size == 0) {
			head = newNode;
		}else {
			//隊列有元素,則將最后一個元素的下一個值設(shè)置為新的元素
			last.setNext(newNode);
		}
		//新元素賦值給last
		last = newNode;
		//隊列長度+1
		size++;
	}
	//移除并返回第一個元素
	public E removeFirst() {
		//如果為null,直接返回null
		if (isEmpty())
			return null;
		//拿到第一個Node中的元素
		E result = head.getElement();
		//獲取第一個Node中的下一個元素并賦值給head
		head = head.getNext();
		//隊列長度-1
		size--;
		//判斷隊列是否為null,如果為null,需要將last置為null
		if (size==0)
			last = null;
		return result;
	}
	public static void main(String[] args) {
		UnThreadSafeQueue<String> queue = new UnThreadSafeQueue<String>();
		queue.addLast("Hello");
		queue.addLast("World");
		queue.addLast("Java");
		System.out.println(queue.removeFirst());
		System.out.println(queue.removeFirst());
		System.out.println(queue.removeFirst());
	}
}

運(yùn)行結(jié)果:

HelloWorldJava

三、線程安全的無鎖隊列

package com.brycen.concurrency03.collections.myqueue;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
import java.util.stream.IntStream;
public class LockFreeQueue<E> {
	//定義頭和尾的原子性節(jié)點(diǎn)
	private AtomicReference<Node<E>> head, last;
	//定義原子性size
	private AtomicInteger size = new AtomicInteger(0);
	//初始化隊列,將頭和尾都指向一個null的節(jié)點(diǎn)
	public LockFreeQueue() {
		Node<E> node = new Node<E>(null);
		head = new AtomicReference<Node<E>>(node);
		last = new AtomicReference<Node<E>>(node);
	}
	//定義節(jié)點(diǎn)類
	private static class Node<E> {
		E element;
		//需要volatile,因為防止在next賦值的時候發(fā)生重排序,并且需要對其他線程可見
		volatile Node<E> next;
		public Node(E element) {
			this.element = element;
		}
		@Override
		public String toString() {
			return element == null ? null : element.toString();
		}
	}
	//添加元素到隊尾
	public void addLast(E element) {
		//元素不允許為null
		if (element == null)
			throw new NullPointerException("The null element not allow");
		//新建一個新節(jié)點(diǎn)
		Node<E> newNode = new Node<E>(element);
		//getAndSet操作為原子性操作,先獲取last的節(jié)點(diǎn)再將新的節(jié)點(diǎn)賦值給last
		Node<E> oldNode = last.getAndSet(newNode);
		//將舊節(jié)點(diǎn)的next指向新的節(jié)點(diǎn)
		oldNode.next = newNode;
		//隊列長度+1
		size.incrementAndGet();
	}
	//移除并返回隊首元素
	public E removeFirst() {
		//因為隊首節(jié)點(diǎn)是存在的,但是他可能沒有下一個節(jié)點(diǎn),所以需要一個valueNode來判斷
		Node<E> headNode, valueNode;
		do {
			//獲取到隊首節(jié)點(diǎn)
			headNode = head.get();
			//判斷下一個節(jié)點(diǎn)是否為null
			valueNode = headNode.next;
		//當(dāng)valueNode不為null,并且headNode不等于隊列的head節(jié)點(diǎn)時,代表該元素被別的線程拿走的,需要重新獲取。
		//當(dāng)headNode等于隊列的head時則代表頭元素沒有被其他元素拿走,并將head節(jié)點(diǎn)替換為valueNode。
		} while (valueNode != null && !head.compareAndSet(headNode, valueNode));
		E result = valueNode != null ? valueNode.element : null;
		//valueNode的元素被拿走了,所有將其置為null
		if (valueNode != null) {
			valueNode.element = null;
		}
		//隊列長度-1
		size.decrementAndGet();
		return result;
	}
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		//創(chuàng)建線程池
		ThreadPoolExecutor threadPool = (ThreadPoolExecutor) Executors.newFixedThreadPool(10);
		//實例化隊列
		LockFreeQueue<String> queue = new LockFreeQueue<String>();
		//該map用于檢查該隊列是否是線程安全的,利用其key不能重復(fù)來判斷
		ConcurrentHashMap<String, Object> map = new ConcurrentHashMap<String, Object>();
		//隨機(jī)數(shù)
		Random random = new Random(System.currentTimeMillis());
		//創(chuàng)建5個寫runnable
		IntStream.range(0, 5).boxed().map(i -> (Runnable) () -> {
			int count = 0;
			//每個runnable往隊列插入10個元素
			while (count++<10) {
				//這里值用系統(tǒng)的納秒+隨機(jī)數(shù)+count,以防止重復(fù)影響map集合對隊列線程安全的判斷
				queue.addLast(System.nanoTime()+":"+random.nextInt(10000)+":"+count);
			}
			//提交任務(wù)
		}).forEach(threadPool::submit);
		//創(chuàng)建5個讀runnable
		IntStream.range(0, 5).boxed().map(i -> (Runnable) () -> {
			int count = 10;
			//每個runnable讀10個元素
			while (count-->0) {
				//休眠
				try {
					TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(20);
				} catch (InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
				}
				//移除隊列中的隊首元素
				String result = queue.removeFirst();
				//輸出
				System.out.println(result);
				//將該元素加入map中,來判斷隊列中真實存入的元素個數(shù)
				map.put(result, new Object());
			}
			//提交任務(wù)
		}).forEach(threadPool::submit);
		//關(guān)閉線程池
		threadPool.shutdown();
		//等待1小時候強(qiáng)制關(guān)閉線程池
		threadPool.awaitTermination(1, TimeUnit.HOURS);
		//打印map中的元素個數(shù)
		System.out.println(map.size());
	}
}

運(yùn)行結(jié)果:

21135673377124:2114:1
21135673377124:1841:1
21135673535368:7640:2
21135673535316:7247:2
21135673430720:1589:1
21135673535143:670:2
21135673549201:8948:3
21135673549364:4671:3
21135673560864:9436:4
21135673551532:5637:3
21135673560412:6560:4
21135673570638:5363:5
21135673577820:9344:5
21135673570345:1147:5
21135673562713:1104:4
21135673580083:7526:6
21135673592905:8578:7
21135673589852:4333:7
21135673587482:4044:6
21135673585072:4774:6
21135673596794:8990:7
21135673600935:1491:8
21135673605719:7387:8
21135673602798:5391:8
21135673610435:7771:9
21135673610435:6732:9
21135673614788:9523:9
21135673623594:3529:10
21135673620198:3206:10
21135673620049:7079:10
21135673698937:3917:2
21135673722794:9326:5
21135673715108:8062:4
21135673683921:1847:1
21135673707190:7836:3
21135673730671:4207:6
21135673737982:9430:7
21135673756931:3648:9
21135673745386:6520:8
21135673764785:3733:10
21135673859035:6858:2
21135673840248:8995:1
21135673880691:7612:4
21135673871709:1741:3
21135673889204:9351:5
21135673897341:5110:6
21135673913246:9156:8
21135673918400:2077:9
21135673926590:1221:10
21135673905604:4850:7
50

到此這篇關(guān)于Java高并發(fā)編程之CAS實現(xiàn)無鎖隊列代碼實例的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java的CAS實現(xiàn)無鎖隊列內(nèi)容請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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