010-多线程-JUC集合-Queue-ConcurrentLinkedQueue

一、概述

　　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）。

　　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，JDK 中Doug Lea是如何使用非阻塞的方式来实现线程安全队列ConcurrentLinkedQueue的。

　　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时，它会返回队列头部的元素。它采用了“wait－free”算法来实现，该算法在Michael & Scott算法上进行了一些修改。

1.1、原理和数据结构

　　ConcurrentLinkedQueue由head节点和tail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。

　　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。

1.2、示例

/*

 *   ConcurrentLinkedQueue是“线程安全”的队列，而LinkedList是非线程安全的。

 *

 *   下面是“多个线程同时操作并且遍历queue”的示例

 *   (01) 当queue是ConcurrentLinkedQueue对象时，程序能正常运行。

 *   (02) 当queue是LinkedList对象时，程序会产生ConcurrentModificationException异常。

 *

 */

public class ConcurrentLinkedQueueDemo1 {

    // TODO: queue是LinkedList对象时，程序会出错。

    //private static Queue<String> queue = new LinkedList<String>();

    private static Queue<String> queue = new ConcurrentLinkedQueue<String>();

    public static void main(String[] args) {

        // 同时启动两个线程对queue进行操作！

        new MyThread("ta").start();

        new MyThread("tb").start();

    }

    private static void printAll() {

        String value;

        Iterator iter = queue.iterator();

        while (iter.hasNext()) {

            value = (String) iter.next();

            System.out.print(value + ", ");

        }

        System.out.println();

    }

    private static class MyThread extends Thread {

        MyThread(String name) {

            super(name);

        }

        @Override

        public void run() {

            int i = 0;

            while (i++ < 6) {

                // “线程名” + "-" + "序号"

                String val = Thread.currentThread().getName() + i;

                queue.add(val);

                // 通过“Iterator”遍历queue。

                printAll();

            }

        }

    }

}

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。

1.3、使用场景

1.4、小结

　　ConcurrentLinkedQueue 的非阻塞算法实现可概括为下面 5 点：

　　　　使用 CAS 原子指令来处理对数据的并发访问，这是非阻塞算法得以实现的基础。

　　　　head/tail 并非总是指向队列的头 / 尾节点，也就是说允许队列处于不一致状态。这个特性把入队 / 出队时，原本需要一起原子化执行的两个步骤分离开来，从而缩小了入队 / 出队时需要原子化更新值的范围到唯一变量。这是非阻塞算法得以实现的关键。

　　　　由于队列有时会处于不一致状态。为此，ConcurrentLinkedQueue 使用三个不变式来维护非阻塞算法的正确性。　　

　　　　以批处理方式来更新 head/tail，从整体上减少入队 / 出队操作的开销。

　　　　为了有利于垃圾收集，队列使用特有的 head 更新机制；为了确保从已删除节点向后遍历，可到达所有的非删除节点，队列使用了特有的向后推进策略。

二、源码分析

方式