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<String> queue = new ConcurrentLinkedQueue<String>();

// 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

LNKjGH-iwlqrt

参数介绍

private static class Node<E> {

// 节点中的元素
volatile E item;
// 下一个节点
volatile Node<E> 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<E> val) {
UNSAFE.putOrderedObject(this, nextOffset, val);
}

// CAS 的方式设置下一个节点
boolean casNext(Node<E> cmp, Node<E> 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<E> extends AbstractQueue<E>
implements Queue<E>, java.io.Serializable {

// 其他省略

// 头结点
private transient volatile Node<E> head;

// 尾节点
private transient volatile Node<E> 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<E>(null);
}

当创建对象时,头尾节点都是指向一个空节点。

ZzpJTa-lOE9g4

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<E> newNode = new Node<E>(e);

// 循环入队列
// t 是当前尾节点,p 初始为 t
for (Node<E> t = tail, p = t;;) {
// q 为尾节点的下一个节点
Node<E> 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<E> q = p.next; 时,当前情况如图所示:

QJ5fjB-QtmN7F

  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<E> q = p.next; 时,当前情况如图所示:

QJ5fjB-QtmN7F

  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:

u4O6mX-yQeaI6

  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

vkP5tp-jaUZOc

  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<E> 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:

zGeE4p-Udb3x0

这时会执行最后的 else 将 p = q

KkcsgS-8RvW4W

  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。

mBNd6o-RS2hU0

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<E> 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。