【死磕 Java 集合】— ConcurrentLinkedQueue源码分析

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作者:彤哥

出处:https://www.cnblogs.com/tong-yuan/


问题

(1)ConcurrentLinkedQueue是阻塞队列吗?

(2)ConcurrentLinkedQueue如何保证并发安全?

(3)ConcurrentLinkedQueue能用于线程池吗?

简介

qrcode

ConcurrentLinkedQueue只实现了Queue接口,并没有实现BlockingQueue接口,所以它不是阻塞队列,也不能用于线程池中,但是它是线程安全的,可用于多线程环境中。

那么,它的线程安全又是如何实现的呢?让我们一起来瞧一瞧。

源码分析

主要属性

// 链表头节点
private transient volatile Node<E> head;
// 链表尾节点
private transient volatile Node<E> tail;

就这两个主要属性,一个头节点,一个尾节点。

主要内部类

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

典型的单链表结构,非常纯粹。

主要构造方法

public ConcurrentLinkedQueue() {
    // 初始化头尾节点
    head = tail = new Node<E>(null);
}

public ConcurrentLinkedQueue(Collection<? extends E> c) {
    Node<E> h = null, t = null;
    // 遍历c,并把它元素全部添加到单链表中
    for (E e : c) {
        checkNotNull(e);
        Node<E> newNode = new Node<E>(e);
        if (h == null)
            h = t = newNode;
        else {
            t.lazySetNext(newNode);
            t = newNode;
        }
    }
    if (h == null)
        h = t = new Node<E>(null);
    head = h;
    tail = t;
}

这两个构造方法也很简单,可以看到这是一个无界的单链表实现的队列。

入队

因为它不是阻塞队列,所以只有两个入队的方法,add(e)和offer(e)。

因为是无界队列,所以add(e)方法也不用抛出异常了。

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

public boolean offer(E e) {
    // 不能添加空元素
    checkNotNull(e);
    // 新节点
    final Node<E> newNode = new Node<E>(e);

    // 入队到链表尾
    for (Node<E> t = tail, p = t;;) {
        Node<E> q = p.next;
        // 如果没有next,说明到链表尾部了,就入队
        if (q == null) {
            // CAS更新p的next为新节点
            // 如果成功了,就返回true
            // 如果不成功就重新取next重新尝试
            if (p.casNext(null, newNode)) {
                // 如果p不等于t,说明有其它线程先一步更新tail
                // 也就不会走到q==null这个分支了
                // p取到的可能是t后面的值
                // 把tail原子更新为新节点
                if (p != t) // hop two nodes at a time
                    casTail(t, newNode);  // Failure is OK.
                // 返回入队成功
                return true;
            }
        }
        else if (p == q)
            // 如果p的next等于p,说明p已经被删除了(已经出队了)
            // 重新设置p的值
            p = (t != (t = tail)) ? t : head;
        else
            // t后面还有值,重新设置p的值
            p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q;
    }
}

入队整个流程还是比较清晰的,这里有个前提是出队时会把出队的那个节点的next设置为节点本身。

(1)定位到链表尾部,尝试把新节点到后面;

(2)如果尾部变化了,则重新获取尾部,再重试;

出队

因为它不是阻塞队列,所以只有两个出队的方法,remove()和poll()。

public E remove() {
    E x = poll();
    if (x != null)
        return x;
    else
        throw new NoSuchElementException();
}

public E poll() {
    restartFromHead:
    for (;;) {
        // 尝试弹出链表的头节点
        for (Node<E> h = head, p = h, q;;) {
            E item = p.item;
            // 如果节点的值不为空,并且将其更新为null成功了
            if (item != null && p.casItem(item, null)) {
                // 如果头节点变了,则不会走到这个分支
                // 会先走下面的分支拿到新的头节点
                // 这时候p就不等于h了,就更新头节点
                // 在updateHead()中会把head更新为新节点
                // 并让head的next指向其自己
                if (p != h) // hop two nodes at a time
                    updateHead(h, ((q = p.next) != null) ? q : p);
                // 上面的casItem()成功,就可以返回出队的元素了
                return item;
            }
            // 下面三个分支说明头节点变了
            // 且p的item肯定为null
            else if ((q = p.next) == null) {
                // 如果p的next为空,说明队列中没有元素了
                // 更新h为p,也就是空元素的节点
                updateHead(h, p);
                // 返回null
                return null;
            }
            else if (p == q)
                // 如果p等于p的next,说明p已经出队了,重试
                continue restartFromHead;
            else
                // 将p设置为p的next
                p = q;
        }
    }
}
// 更新头节点的方法
final void updateHead(Node<E> h, Node<E> p) {
    // 原子更新h为p成功后,延迟更新h的next为它自己
    // 这里用延迟更新是安全的,因为head节点已经变了
    // 只要入队出队的时候检查head有没有变化就行了,跟它的next关系不大
    if (h != p && casHead(h, p))
        h.lazySetNext(h);
}

出队的整个逻辑也是比较清晰的:

(1)定位到头节点,尝试更新其值为null;

(2)如果成功了,就成功出队;

(3)如果失败或者头节点变化了,就重新寻找头节点,并重试;

(4)整个出队过程没有一点阻塞相关的代码,所以出队的时候不会阻塞线程,没找到元素就返回null;

总结

(1)ConcurrentLinkedQueue不是阻塞队列;

(2)ConcurrentLinkedQueue不能用在线程池中;

(3)ConcurrentLinkedQueue使用(CAS+自旋)更新头尾节点控制出队入队操作;

彩蛋

ConcurrentLinkedQueue与LinkedBlockingQueue对比?

(1)两者都是线程安全的队列;

(2)两者都可以实现取元素时队列为空直接返回null,后者的poll()方法可以实现此功能;

(3)前者全程无锁,后者全部都是使用重入锁控制的;

(4)前者效率较高,后者效率较低;

(5)前者无法实现如果队列为空等待元素到来的操作;

(6)前者是非阻塞队列,后者是阻塞队列;

(7)前者无法用在线程池中,后者可以;

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