非阻塞的无界线程安全队列 —— ConcurrentLinkedQueue

前言

JUC 下面的相关源码继续往下阅读,这就看到了非阻塞的无界线程安全队列 —— ConcurrentLinkedQueue,来一起看看吧。

介绍

基于链接节点的无界线程安全队列,对元素FIFO(先进先出)进行排序。 队列的头部是队列中最长时间的元素,队列的尾部是队列中最短时间的元素。 在队列的尾部插入新元素,队列检索操作获取队列头部的元素。

当许多线程共享对公共集合的访问 ConcurrentLinkedQueue 是一个合适的选择。 与大多数其他并发集合实现一样,此类不允许使用null元素。

基本使用

public class ConcurrentLinkedQueueTest {

    public static void main(String[] args) {

        ConcurrentLinkedQueue queue = new ConcurrentLinkedQueue();

        // 将指定元素插入此队列的尾部。
        queue.add("liuzhihang");
        // 将指定元素插入此队列的尾部。
        queue.offer("liuzhihang");

        // 获取但不移除此队列的头,队列为空返回 null。
        queue.peek();
        // 获取并移除此队列的头,此队列为空返回 null。
        queue.poll();
        
    }
}

源码分析

基本结构

参数介绍

private static class Node {
    
    // 节点中的元素
    volatile E item;
    // 下一个节点
    volatile Node next;

    Node(E item) {
        UNSAFE.putObject(this, itemOffset, item);
    }
    // CAS 的方式设置节点元素
    boolean casItem(E cmp, E val) {
        return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, itemOffset, cmp, val);
    }
    // 设置下一个节点
    void lazySetNext(Node val) {
        UNSAFE.putOrderedObject(this, nextOffset, val);
    }

    // CAS 的方式设置下一个节点
    boolean casNext(Node cmp, Node val) {
        return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, nextOffset, cmp, val);
    }

    // 省略 ……
}

在 ConcurrentLinkedQueue 内部含有一个内部类 Node,如上所示,这个内部类用来标识链表中的一个节点,通过代码可以看出,在 ConcurrentLinkedQueue 中的链表为单向链表

public class ConcurrentLinkedQueue extends AbstractQueue
        implements Queue, java.io.Serializable {
        
    // 其他省略

    // 头结点
    private transient volatile Node head;      

    // 尾节点
    private transient volatile Node tail;
}

头尾节点使用 volatile 修饰,保证内存可见性。

构造函数

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

当创建对象时,头尾节点都是指向一个空节点。

添加元素

public boolean add(E e) {
    return offer(e);
}
public boolean offer(E e) {
    
    // 验证是否为空
    checkNotNull(e);

    // 创建节点
    final Node newNode = new Node(e);

    // 循环入队列
    // t 是当前尾节点,p 初始为 t
    for (Node t = tail, p = t;;) {
        // q 为尾节点的下一个节点
        Node q = p.next;
        if (q == null) {
            // 为空,说明后面没有节点,则 CAS 设置尾节点
            if (p.casNext(null, newNode)) {
                // 此时 p.next 是 newNode
                // 如果 p != t 说明有并发
                if (p != t) 
                    // 其他线程已经更新了 tail
                    // q = p.next 所以 q == null 不正确了
                    // q 取到了 t.next
                    // 此时将 tail 更新为 新节点
                    casTail(t, newNode);  // Failure is OK.
                return true;
            }
            // Lost CAS race to another thread; re-read next
        }
        // 多线程情况下, poll ,操作移除元素,可能会导致 p == q 
        // 此时要重新查找
        else if (p == q)
            // 
            p = (t != (t = tail)) ? t : head;
        else
            // 检查 tail 并更新
            p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q;
    }
}

画图说明:

  • 单线程情况下:
  1. 当执行到 Node q = p.next; 时,当前情况如图所示:

  1. 判断 q == null,满足条件,此时便会执行 p.casNext(null, newNode) 使用 CAS 设置 p.next。
  2. 设置成功之后,p == t 没有变动,所以程序退出。
  • 多线程情况下:
  1. 当执行到 Node q = p.next; 时,当前情况如图所示:

  1. 多个线程执行 p.casNext(null, newNode) 使用 CAS 设置 p.next。
  2. A 线程 CAS 设置成功:

  1. B 线程 CAS 执行失败, 重新循环,会执行到 p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q

  1. 再次循环就可以成功设置上了。

获取元素

public E poll() {
    restartFromHead:
    // 无限循环
    for (;;) {
        for (Node h = head, p = h, q;;) {
            // 头结点的 iterm
            E item = p.item;
            // 当前节点如果不为 null CAS 设置为 null
            if (item != null && p.casItem(item, null)) {
                // CAS 成功 则标记移除
                if (p != h) // hop two nodes at a time
                    updateHead(h, ((q = p.next) != null) ? q : p);
                return item;
            }
            // 当前队列未空 返回 null
            else if ((q = p.next) == null) {
                updateHead(h, p);
                return null;
            }
            // 自引用了, 重新进行循环
            else if (p == q)
                continue restartFromHead;
            else
                p = q;
        }
    }
}

画图过程如下:

  1. 在执行内层循环时,如果队列为空:E item = p.item; 此时,iterm 为 null,会 updateHead(h, p) 并返回 null。
  2. 假设同时有并发插入操作,添加了一个元素,此时如图所示:

这时会执行最后的 else 将 p = q

  1. 继续循环获取 item,并执行 p.casItem(item, null) , 然后判断 p != h,更新 head 并返回 item。

这里的情况比较复杂,这里只是列举一种,如果需要可以自己多列举几种。

而查看元素的代码和获取元素代码类似就不多介绍了。

size 操作

public int size() {
    int count = 0;
    for (Node p = first(); p != null; p = succ(p))
        if (p.item != null)
            // Collection.size() spec says to max out
            if (++count == Integer.MAX_VALUE)
                break;
    return count;
}

CAS 没有加锁,所以 size 是不准确的。并且 size 会遍历一遍列表,比较耗费性能。

总结

ConcurrentLinkedQueue 在工作中使用的相对较少,所以阅读相关源码的时候也只是大概看了一下,了解常用 API,以及底层原理。

简单总结就是使用单向链表来保存队列元素,内部使用非阻塞的 CAS 算法,没有加锁。所以计算 size 时可能不准确,同样 size 会遍历链表,所以并不建议使用。

你可能感兴趣的