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ConcurrentLinkedQueue介绍

ConcurrentLinkedQueue是线程安全的队列,它适用于“高并发”的场景。
它是一个基于链接节点的无界线程安全队列,按照 FIFO(先进先出)原则对元素进行排序。队列元素中不可以放置null元素(内部实现的特殊节点除外)。

ConcurrentLinkedQueue原理和数据结构

ConcurrentLinkedQueue的数据结构,如下图所示:

说明
1. ConcurrentLinkedQueue继承于AbstractQueue。
2. ConcurrentLinkedQueue内部是通过链表来实现的。它同时包含链表的头节点head和尾节点tail。ConcurrentLinkedQueue按照 FIFO(先进先出)原则对元素进行排序。元素都是从尾部插入到链表,从头部开始返回。
3. ConcurrentLinkedQueue的链表Node中的next的类型是volatile,而且链表数据item的类型也是volatile。关于volatile,我们知道它的语义包含:“即对一个volatile变量的读,总是能看到(任意线程)对这个volatile变量最后的写入”。ConcurrentLinkedQueue就是通过volatile来实现多线程对竞争资源的互斥访问的。

ConcurrentLinkedQueue函数列表

// 创建一个最初为空的 ConcurrentLinkedQueue。
ConcurrentLinkedQueue()
// 创建一个最初包含给定 collection 元素的 ConcurrentLinkedQueue,按照此 collection 迭代器的遍历顺序来添加元素。
ConcurrentLinkedQueue(Collection<? extends E> c) // 将指定元素插入此队列的尾部。
boolean add(E e)
// 如果此队列包含指定元素,则返回 true。
boolean contains(Object o)
// 如果此队列不包含任何元素,则返回 true。
boolean isEmpty()
// 返回在此队列元素上以恰当顺序进行迭代的迭代器。
Iterator<E> iterator()
// 将指定元素插入此队列的尾部。
boolean offer(E e)
// 获取但不移除此队列的头;如果此队列为空,则返回 null。
E peek()
// 获取并移除此队列的头,如果此队列为空,则返回 null。
E poll()
// 从队列中移除指定元素的单个实例(如果存在)。
boolean remove(Object o)
// 返回此队列中的元素数量。
int size()
// 返回以恰当顺序包含此队列所有元素的数组。
Object[] toArray()
// 返回以恰当顺序包含此队列所有元素的数组;返回数组的运行时类型是指定数组的运行时类型。
<T> T[] toArray(T[] a)

ConcurrentLinkedQueue源码分析(JDK1.7.0_40版本)

ConcurrentLinkedQueue的完整源码如下:

 

下面从ConcurrentLinkedQueue的创建,添加,删除这几个方面对它进行分析。

1 创建

下面以ConcurrentLinkedQueue()来进行说明。

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

说明:在构造函数中,新建了一个“内容为null的节点”,并设置表头head和表尾tail的值为新节点。

head和tail的定义如下:

private transient volatile Node<E> head;
private transient volatile Node<E> tail;

head和tail都是volatile类型,他们具有volatile赋予的含义:“即对一个volatile变量的读,总是能看到(任意线程)对这个volatile变量最后的写入”。

Node的声明如下:

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

说明
Node是个单向链表节点,next用于指向下一个Node,item用于存储数据。Node中操作节点数据的API,都是通过Unsafe机制的CAS函数实现的;例如casNext()是通过CAS函数“比较并设置节点的下一个节点”。

2. 添加

下面以add(E e)为例对ConcurrentLinkedQueue中的添加进行说明。

public boolean add(E e) {
return offer(e);
}

说明:add()实际上是调用的offer()来完成添加操作的。

offer()的源码如下:

public boolean offer(E e) {
// 检查e是不是null,是的话抛出NullPointerException异常。
checkNotNull(e);
// 创建新的节点
final Node<E> newNode = new Node<E>(e); // 将“新的节点”添加到链表的末尾。
for (Node<E> t = tail, p = t;;) {
Node<E> q = p.next;
// 情况1:q为空
if (q == null) {
// CAS操作:如果“p的下一个节点为null”(即p为尾节点),则设置p的下一个节点为newNode。
// 如果该CAS操作成功的话,则比较“p和t”(若p不等于t,则设置newNode为新的尾节点),然后返回true。
// 如果该CAS操作失败,这意味着“其它线程对尾节点进行了修改”,则重新循环。
if (p.casNext(null, newNode)) {
if (p != t) // hop two nodes at a time
casTail(t, newNode); // Failure is OK.
return true;
}
}
// 情况2:p和q相等
else if (p == q)
p = (t != (t = tail)) ? t : head;
// 情况3:其它
else
p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q;
}
}

说明:offer(E e)的作用就是将元素e添加到链表的末尾。offer()比较的地方是理解for循环,下面区分3种情况对for进行分析。

情况1 -- q为空。这意味着q是尾节点的下一个节点。此时,通过p.casNext(null, newNode)将“p的下一个节点设为newNode”,若设置成功的话,则比较“p和t”(若p不等于t,则设置newNode为新的尾节点),然后返回true。否则的话(意味着“其它线程对尾节点进行了修改”),什么也不做,继续进行for循环。
p.casNext(null, newNode),是调用CAS对p进行操作。若“p的下一个节点等于null”,则设置“p的下一个节点等于newNode”;设置成功的话,返回true,失败的话返回false。

情况2 -- p和q相等。这种情况什么时候会发生呢?通过“情况3”,我们知道,经过“情况3”的处理后,p的值可能等于q。
此时,若尾节点没有发生变化的话,那么,应该是头节点发生了变化,则设置p为头节点,然后重新遍历链表;否则(尾节点变化的话),则设置p为尾节点。

情况3 -- 其它。
我们将p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q;转换成如下代码。

if (p==t) {
p = q;
} else {
Node<E> tmp=t;
t = tail;
if (tmp==t) {
p=q;
} else {
p=t;
}
}

如果p和t相等,则设置p为q。否则的话,判断“尾节点是否发生变化”,没有变化的话,则设置p为q;否则,设置p为尾节点。

checkNotNull()的源码如下:

private static void checkNotNull(Object v) {
if (v == null)
throw new NullPointerException();
}

3. 删除

下面以poll()为例对ConcurrentLinkedQueue中的删除进行说明。

public E poll() {
// 设置“标记”
restartFromHead:
for (;;) {
for (Node<E> h = head, p = h, q;;) {
E item = p.item; // 情况1
// 表头的数据不为null,并且“设置表头的数据为null”这个操作成功的话;
// 则比较“p和h”(若p!=h,即表头发生了变化,则更新表头,即设置表头为p),然后返回原表头的item值。
if (item != null && p.casItem(item, null)) {
if (p != h) // hop two nodes at a time
updateHead(h, ((q = p.next) != null) ? q : p);
return item;
}
// 情况2
// 表头的下一个节点为null,即链表只有一个“内容为null的表头节点”。则更新表头为p,并返回null。
else if ((q = p.next) == null) {
updateHead(h, p);
return null;
}
// 情况3
// 这可能到由于“情况4”的发生导致p=q,在该情况下跳转到restartFromHead标记重新操作。
else if (p == q)
continue restartFromHead;
// 情况4
// 设置p为q
else
p = q;
}
}
}

说明:poll()的作用就是删除链表的表头节点,并返回被删节点对应的值。poll()的实现原理和offer()比较类似,下面根将or循环划分为4种情况进行分析。

情况1:“表头节点的数据”不为null,并且“设置表头节点的数据为null”这个操作成功。
p.casItem(item, null) -- 调用CAS函数,比较“节点p的数据值”与item是否相等,是的话,设置节点p的数据值为null。
在情况1发生时,先比较“p和h”,若p!=h,即表头发生了变化,则调用updateHead()更新表头;然后返回删除节点的item值。
updateHead()的源码如下:

final void updateHead(Node<E> h, Node<E> p) {
if (h != p && casHead(h, p))
h.lazySetNext(h);
}

说明:updateHead()的最终目的是更新表头为p,并设置h的下一个节点为h本身。
casHead(h,p)是通过CAS函数设置表头,若表头等于h的话,则设置表头为p。
lazySetNext()的源码如下:

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

putOrderedObject()函数,我们在前面一章“TODO”中介绍过。h.lazySetNext(h)的作用是通过CAS函数设置h的下一个节点为h自身,该设置可能会延迟执行。

情况2:如果表头的下一个节点为null,即链表只有一个“内容为null的表头节点”。
则调用updateHead(h, p),将表头更新p;然后返回null。

情况3:p=q
在“情况4”的发生后,会导致p=q;此时,“情况3”就会发生。当“情况3”发生后,它会跳转到restartFromHead标记重新操作。

情况4:其它情况。
设置p=q。

ConcurrentLinkedQueue示例

 1 import java.util.*;
2 import java.util.concurrent.*;
3
4 /*
5 * ConcurrentLinkedQueue是“线程安全”的队列,而LinkedList是非线程安全的。
6 *
7 * 下面是“多个线程同时操作并且遍历queue”的示例
8 * (01) 当queue是ConcurrentLinkedQueue对象时,程序能正常运行。
9 * (02) 当queue是LinkedList对象时,程序会产生ConcurrentModificationException异常。
10 *
11 * @author skywang
12 */
13 public class ConcurrentLinkedQueueDemo1 {
14
15 // TODO: queue是LinkedList对象时,程序会出错。
16 //private static Queue<String> queue = new LinkedList<String>();
17 private static Queue<String> queue = new ConcurrentLinkedQueue<String>();
18 public static void main(String[] args) {
19
20 // 同时启动两个线程对queue进行操作!
21 new MyThread("ta").start();
22 new MyThread("tb").start();
23 }
24
25 private static void printAll() {
26 String value;
27 Iterator iter = queue.iterator();
28 while(iter.hasNext()) {
29 value = (String)iter.next();
30 System.out.print(value+", ");
31 }
32 System.out.println();
33 }
34
35 private static class MyThread extends Thread {
36 MyThread(String name) {
37 super(name);
38 }
39 @Override
40 public void run() {
41 int i = 0;
42 while (i++ < 6) {
43 // “线程名” + "-" + "序号"
44 String val = Thread.currentThread().getName()+i;
45 queue.add(val);
46 // 通过“Iterator”遍历queue。
47 printAll();
48 }
49 }
50 }
51 }

(某一次)运行结果

ta1, ta1, tb1, tb1,

ta1, ta1, tb1, tb1, ta2, ta2, tb2,
tb2,
ta1, ta1, tb1, tb1, ta2, ta2, tb2, tb2, ta3, tb3,
ta3, ta1, tb3, tb1, ta4,
ta2, ta1, tb2, tb1, ta3, ta2, tb3, tb2, ta4, ta3, tb4,
tb3, ta1, ta4, tb1, tb4, ta2, ta5,
tb2, ta1, ta3, tb1, tb3, ta2, ta4, tb2, tb4, ta3, ta5, tb3, tb5,
ta4, ta1, tb4, tb1, ta5, ta2, tb5, tb2, ta6,
ta3, ta1, tb3, tb1, ta4, ta2, tb4, tb2, ta5, ta3, tb5, tb3, ta6, ta4, tb6,
tb4, ta5, tb5, ta6, tb6,

结果说明:如果将源码中的queue改成LinkedList对象时,程序会产生ConcurrentModificationException异常。

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