非阻塞的无界线程安全队列 —— ConcurrentLinkedQueue

程序员小航

发布于 2020-11-23 12:24:39

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发布于 2020-11-23 12:24:39

文章被收录于专栏：程序员小航

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

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。

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：

当执行到 Node<E> q = p.next; 时，当前情况如图所示：

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。
设置成功之后，p == t 没有变动，所以程序退出。

多线程情况下：

当执行到 Node<E> q = p.next; 时，当前情况如图所示：

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

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

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：

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。
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

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<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。

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原始发表：2020-10-25，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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