Java 并发编程_ConcurrentLinkedQueue

ConcurrentLinkedQueue 的分析和使用：

在并发编程中我们有时候需要使用线程安全的队列。如果我们要实现一个线程安全的队列有两种实现方式一种是使用阻塞算法，另一种是使用非阻塞算法。使用阻塞算法的队列可以用一个锁（入队和出队用同一把锁）或两个锁（入队和出队用不同的锁）等方式来实现，而非阻塞的实现方式则可以使用循环 CAS 的方式来实现。


ConcurrentLinkedQueue 是一个基于链接节点的无界线程安全队列，它采用先进先出的规则对节点进行排序，当我们添加一个元素的时候，它会添加到队列的尾部，当我们获取一个元素，它会返回队列头部的元素。它采用了“wait－free”算法（即 CAS 算法）来实现。

ConcurrentLinkedQueue 的结构:






public class ConcurrentLinkedQueue<E> extends AbstractQueue<E>
        implements Queue<E>, java.io.Serializable {

   ........

private static class Node<E> {
        volatile E item;
        volatile Node<E> next;

        /**
         * Constructs a new node.  Uses relaxed write because item can
         * only be seen after publication via casNext.
         */
        Node(E item) {
            UNSAFE.putObject(this, itemOffset, item);
        }

        boolean casItem(E cmp, E val) {
            return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, itemOffset, cmp, val);
        }

        void lazySetNext(Node<E> val) {
            UNSAFE.putOrderedObject(this, nextOffset, val);
        }

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

        // Unsafe mechanics

        private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
        private static final long itemOffset;
        private static final long nextOffset;

        static {
            try {
                UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
                Class k = Node.class;
                itemOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
                    (k.getDeclaredField("item"));
                nextOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
                    (k.getDeclaredField("next"));
            } catch (Exception e) {
                throw new Error(e);
            }
        }
    }

    /**
     * A node from which the first live (non-deleted) node (if any)
     * can be reached in O(1) time.
     * Invariants:
     * - all live nodes are reachable from head via succ()
     * - head != null
     * - (tmp = head).next != tmp || tmp != head
     * Non-invariants:
     * - head.item may or may not be null.
     * - it is permitted for tail to lag behind head, that is, for tail
     *   to not be reachable from head!
     */
    private transient volatile Node<E> head;

    /**
     * A node from which the last node on list (that is, the unique
     * node with node.next == null) can be reached in O(1) time.
     * Invariants:
     * - the last node is always reachable from tail via succ()
     * - tail != null
     * Non-invariants:
     * - tail.item may or may not be null.
     * - it is permitted for tail to lag behind head, that is, for tail
     *   to not be reachable from head!
     * - tail.next may or may not be self-pointing to tail.
     */
    private transient volatile Node<E> tail;

   .......


}

ConcurrentLinkedQueue 由 head 节点和 tair 节点组成，每个节点（Node）由节点元素（item）和指向下一个节点的引用(next)组成，节点与节点之间就是通过这个 next 关联起来，从而组成一张链表结构的队列。默认情况下 head 节点存储的元素为空，tair 节点等于 head 节点。


入队列:

入队列就是将入队节点添加到队列的尾部。入队主要做两件事情，第一是将入队节点设置成当前队列尾节点的下一个节点。第二是更新 tail 节点，如果 tail 节点的 next 节点不为空，则将入队节点设置成 tail 节点，如果 tail 节点的 next 节点为空，则将入队节点设置成 tail的 next 节点，所以 tail 节点不总是尾节点。





步骤1 添加元素 1。队列更新 head 节点的 next 节点为元素 1 节点。又因为tail 节点默认情况下等于 head 节点，所以它们的 next 节点都指向元素 1 节点。
步骤2 添加元素 2。队列首先设置元素 1 节点的 next 节点为元素 2 节点，然后更新 tail 节点指向元素 2 节点。
步骤3 添加元素 3，设置 tail 节点的 next 节点为元素 3 节点。
步骤4 添加元素 4，设置元素 3 的 next 节点为元素 4 节点，然后将 tail 节点指向元素 4 节点。


    /**
     * Inserts the specified element at the tail of this queue.
     * As the queue is unbounded, this method will never return {@code false}.
     *
     * @return {@code true} (as specified by {@link Queue#offer})
     * @throws NullPointerException if the specified element is null
     */
    public boolean offer(E e) {
        checkNotNull(e);
        final Node<E> newNode = new Node<E>(e);

        for (Node<E> t = tail, p = t;;) {
            Node<E> q = p.next;
            if (q == null) {
                // p is last node
                if (p.casNext(null, newNode)) {
                    // Successful CAS is the linearization point
                    // for e to become an element of this queue,
                    // and for newNode to become "live".
                    if (p != t) // hop two nodes at a time
                        casTail(t, newNode);  // Failure is OK.
                    return true;
                }
                // Lost CAS race to another thread; re-read next
            }
            else if (p == q)
                // We have fallen off list.  If tail is unchanged, it
                // will also be off-list, in which case we need to
                // jump to head, from which all live nodes are always
                // reachable.  Else the new tail is a better bet.
                p = (t != (t = tail)) ? t : head;
            else
                // Check for tail updates after two hops.
                p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q;
        }
    }


    /**
     * Throws NullPointerException if argument is null.
     *
     * @param v the element
     */
    private static void checkNotNull(Object v) {
        if (v == null)
            throw new NullPointerException();
    }


定位尾节点：tail 节点并不总是尾节点，所以每次入队都必须先通过 tail 节点来找到尾节点，尾节点可能就是 tail 节点，也可能是 tail 节点的 next 节点。代码中循环体中的第一个 if 就是判断 tail是否有 next 节点，有则表示 next 节点可能是尾节点。获取 tail 节点的 next 节点需要注意的是 p 节点等于 p 的 next 节点的情况，只有一种可能就是 p 节点和 p 的 next 节点都等于空，表示这个队列刚初始化，正准备添加第一次节点，所以需要返回 head 节点。


设置入队节点为尾节点：p.casNext(null, n)方法用于将入队节点设置为当前队列尾节点的next 节点，p 如果是 null 表示 p 是当前队列的尾节点，如果不为 null 表示有其他线程更新了尾节点，则需要重新获取当前队列的尾节点。


出队列：

出队列的就是 从队列里返回一个节点元素，并清空该节点对元素的引用。




并不是每次出队时都更新 head 节点，当 head 节点里有元素时，直接弹出 head节点里的元素，而不会更新 head 节点。只有当 head 节点里没有元素时，出队操作才会更新head节点。这种做法也是通过 hops 变量来减少使用 CAS 更新 head 节点的消耗，从而提高出队效率。


public E poll() {
        restartFromHead:
        for (;;) {
            for (Node<E> h = head, p = h, q;;) {
                E item = p.item;

                if (item != null && p.casItem(item, null)) {
                    // Successful CAS is the linearization point
                    // for item to be removed from this queue.
                    if (p != h) // hop two nodes at a time
                        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)
                    continue restartFromHead;
                else
                    p = q;
            }
        }
    }



首先获取头节点的元素，然后判断头节点元素是否为空，如果为空，表示另外一个线程已经进行了一次出队操作将该节点的元素取走，如果不为空，则使用 CAS 的方式将头节点的引用设置成null，如果 CAS 成功，则直接返回头节点的元素，如果不成功，表示另外一个线程已经进行了一次出队操作更新了 head 节点，导致元素发生了变化，需要重新获取头节点。