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Java并发容器之ConcurrentLinkedQueue详解

作者:fastjson_

这篇文章主要介绍了Java并发容器之ConcurrentLinkedQueue详解,加锁队列的实现较为简单,这里就略过,我们来重点来解读一下非阻塞队列,
从点到面, 下面我们来看下非阻塞队列经典实现类ConcurrentLinkedQueue,需要的朋友可以参考下

简介

并编程中,一般需要用到安全的队列,如果要自己实现安全队列,可以使用2种方式:

  1. 加锁,这种实现方式就是我们常说的阻塞队列。
  2. 使用循环CAS算法实现,这种方式实现队列称之为非阻塞队列。

加锁队列的实现较为简单,这里就略过,我们来重点来解读一下非阻塞队列。 从点到面, 下面我们来看下非阻塞队列经典实现类:ConcurrentLinkedQueue (JDK1.8版)  

看下ConcurrentLinkedQueue的结构图

从内图可以了解ConcurrentLinkedQueue一个大概,ConcurrentLinkedQueue内部持有2个节点:head头结点,负责出列, tail尾节点,负责入列。

而元素节点Node,使用item存储入列元素,next指向下一个元素节点。

    private static class Node<E> {
        volatile E item;
        volatile Node<E> next;
        //....
    }
public class ConcurrentLinkedQueue<E> extends AbstractQueue<E>
        implements Queue<E>, java.io.Serializable {
        private transient volatile Node<E> head;
        private transient volatile Node<E> tail;  
        //....
}

 ConcurrentLinkedQueue使用特点

之所以有这奇葩约定,全因ConcurrentLinkedQueue是并发非阻塞队列决定的。 我们从源码上看一下ConcurrentLinkedQueue实现过程

ConcurrentLinkedQueue源码详解

入列

我们印象中链表特点:tail节点表示最后一个节点, head表示第一个节点。ConcurrentLinkedQueue 跟传统的链表有点区别,在单线程环境下符合传统链表特点,但涉及到多线程环境,ConcurrentLinkedQueue 中的tail节点不一定是最后一个节点,他可能是倒数第二个。所以ConcurrentLinkedQueue判断队尾条件是节点的next为null。

   public boolean offer(E e) {
        checkNotNull(e);   //为空判断,e为null是抛异常
        final Node<E> newNode = new Node<E>(e); //将e包装成newNode
        for (Node<E> t = tail, p = t;;) {  //循环cas,直至加入成功
            //t = p = tail 
            Node<E> q = p.next;
            if (q == null) {   //判断p是否为尾节点
                //如果是,p.next = newNode
                if (p.casNext(null, newNode)) {
                    //首次添加时,p 等于t,不进行尾节点更新,所以所尾节点存在滞后性  
                    //并发环境,可能存添加/删除,tail就更难保证正确指向最后节点。
                    if (p != t) 
                        //更新尾节点为最新元素
                        casTail(t, newNode);  
                    return true;
                }
            }
            else if (p == q)
                //当tail不执行最后节点时,如果执行出列操作,很有可能将tail也给移除了    
                //此时需要对tail节点进行复位,复位到head节点
                p = (t != (t = tail)) ? t : head;
            else
                //推动tail尾节点往队尾移动
                p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q;
        }
    }

分析

1、初始化

 2、添加A元素

 3、添加B元素

 4、添加C

从图上看tail不一定执行最后一个节点,但可以确定最后节点的next节点为null。

到这可能朋友问他,并发环境什么情况都有可能,ConcurrentLinkedQueue是怎么保证线程安全的? 我们观察offer方法的设计,

1:是一个死循环,就是不停使用cas判断直到添加元素入队成功。

for (Node<E> t = tail, p = t;;)

2:2个cas判断方法 p.casNext(null, newNode) 确保队列在入列时是原子操作

 private boolean casTail(Node<E> cmp, Node<E> val) {
     return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, tailOffset, cmp, val);
 }

casTail(t, newNode); 确保tail队尾在移动改变时是原子操作

boolean casNext(Node<E> cmp, Node<E> val) {
    return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, nextOffset, cmp, val);
}

而在并发环境,ConcurrentLinkedQueue入列线程安全考虑具体可分2类:

1>线程1线程2同时入列 这个好理解, 线程1,线程2不管在offer哪个位置开始并发,他们最终的目的都是入列,也即都需要执行casNext方法, 我们只需要确保所有线程都有机会执行casNext方法,并且保证casNext方法是原子操作即可。casNext失败的线程,可以进入下一轮循环,人品好的话就可以入列,衰的话继续循环

2>线程1遍历,线程2入列 ConcurrentLinkedQueue 遍历是线程不安全的, 线程1遍历,线程2很有可能进行入列出列操作, 所以ConcurrentLinkedQueue 的size是变化。换句话说,要想安全遍历ConcurrentLinkedQueue 队列,必须额外加锁。

但换一个角度想, ConcurrentLinkedQueue 的设计初衷非阻塞队列,我们更多关注入列与出列线程安全,这2点能保证就可以啦。

出列

    public E poll() {
        restartFromHead:
        for (;;) {
            for (Node<E> h = head, p = h, q;;) {
                //入列折腾的tail,那出列折腾的就是head
                E item = p.item;
                //出列判断依据是节点的item=null
                //item != null, 并且能将操作节点的item设置null, 表示出列成功
                if (item != null && p.casItem(item, null)) {
                    if (p != h) 
                        //一旦出列成功需要对head进行移动
                        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)
                    //第一轮操作失败,下一轮继续,调回到循环前
                    continue restartFromHead;
                else
                    //推动head节点移动
                    p = q;
            }
        }
    }

看图, 被移动的节点(item为null的节点)会被jvm回收。

但是有个问题, tail也被回收, 那ConcurrentLinkedQueue就没有tail节点了。

如果此时再添加一个D元素时,会出现什么情况?

 好问的朋友,又想了,ConcurrentLinkedQueue怎么保证出列线程安全?道理跟之前入列一样,cas保证原子操作即可。

总结

到这ConcurrentLinkedQueue介绍就完成了。总结下ConcurrentLinkedQueue贴点:

入列出列线程安全,遍历不安全不允许添加null元素底层使用列表与cas算法包装入列出列安全

到此这篇关于Java并发容器之ConcurrentLinkedQueue详解的文章就介绍到这了,更多相关ConcurrentLinkedQueue详解内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家!

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