Java并发编程札记-(五)JUC容器-07ConcurrentLinkedQueue

ConcurrentLinkedQueue是一个基于链表的、无界的、线程安全的队列。此队列按照FIFO原则对元素进行排序。此队列不允许使用null元素，采用了有效的“无等待(wait-free)”算法（CAS算法）。

与大多数collection不同，size方法不是一个固定时间操作。由于这些队列的异步特性，确定当前元素的数量需要遍历这些元素。

节点类

private static class Node<E> {
    volatile E item;
    volatile Node 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 val) {
        UNSAFE.putOrderedObject(this, nextOffset, val);
    }

    boolean casNext(Node cmp, Node 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);
        }
    }
}

可以看出，item与next都是volatile的，关于volatile，我们知道volatile支持可见性。同时，对节点的操作如casItem()、casNext()方法都是CAS操作。

属性

/**
 * 头节点
 * 以下表达式一直成立:
 * - all live nodes are reachable from head via succ()
 * - head != null
 * - (tmp = head).next != tmp || tmp != head
 * 以下表达式不一定成立:
 * - 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 head;

/**
 * 尾节点
 * 以下表达式一直成立:
 * - the last node is always reachable from tail via succ()
 * - tail != null
 * 以下表达式不一定成立:
 * - 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 tail;

ConcurrentLinkedQueue的属性成员与其他队列的相比，出奇地少，没有元素数量count、队列容量capacity、锁lock 、condition。

方法摘要

//构造方法摘要
ConcurrentLinkedQueue() 
          //创建一个最初为空的 ConcurrentLinkedQueue。
ConcurrentLinkedQueue(Collection c) 
          //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。  
//方法摘要
 boolean    add(E e) 
          //将指定元素插入此队列的尾部。
 boolean    contains(Object o) 
          //如果此队列包含指定元素，则返回 true。
 boolean    isEmpty() 
          //如果此队列不包含任何元素，则返回 true。
 Iterator    iterator() 
          //返回在此队列元素上以恰当顺序进行迭代的迭代器。
 boolean    offer(E e) 
          //将指定元素插入此队列的尾部。
 E  peek() 
          //获取但不移除此队列的头；如果此队列为空，则返回 null。
 E  poll() 
          //获取并移除此队列的头，如果此队列为空，则返回 null。
 boolean    remove(Object o) 
          //从队列中移除指定元素的单个实例（如果存在）。
 int    size() 
          //返回此队列中的元素数量。
 Object[]   toArray() 
          //返回以恰当顺序包含此队列所有元素的数组。
 T[] toArray(T[] a) 
          //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。

offer(E)

//将指定元素插入此队列的尾部。
public boolean offer(E e) {
    //不允许元素为null
    checkNotNull(e);
    //新建节点
    final Node newNode = new Node(e);

    //将节点插入队列
    for (Node t = tail, p = t;;) {
        Node q = p.next;
        //case1：q == null，说明p是尾节点
        if (q == null) {
            //如果p的next为null，则将p的next置为newNode。
            if (p.casNext(null, newNode)) {
                //如果p != t，说明？
                if (p != t) // hop two nodes at a time
                    //将newNode设为新的尾节点
                    casTail(t, newNode);  // Failure is OK.
                return true;
            }
            // Lost CAS race to another thread; re-read next
        }
        //case2：？
        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;
        //case3：？
        else
            // Check for tail updates after two hops.
            p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q;
    }
}

从以上代码中可以看出，offer(E e)是通过CAS来实现线程安全的，而不是锁。
poll()

//获取并移除此队列的头，如果此队列为空，则返回 null。
public E poll() {
    restartFromHead:
    for (;;) {
        for (Node h = head, p = h, q;;) {
            E item = p.item;
            //case1：如果表头节点item不为null，且p.casItem(item, null)操作成功
            if (item != null && p.casItem(item, null)) {
                //如果？，则更新表头，设置表头为p
                if (p != h) // hop two nodes at a time
                    updateHead(h, ((q = p.next) != null) ? q : p);
                //返回原表头的item值。
                return item;
            }
            //case2：如果表头节点item为null，且只有表头一个节点
            else if ((q = p.next) == null) {
                //将表头更新为p？
                updateHead(h, p);
                //返回null
                return null;
            }
            //case3：由于情况4导致此种情况发生
            else if (p == q)
                //跳转到restartFromHead标记重新操作
                continue restartFromHead;
            //case4：如果p.casItem(item, null)操作失败
            else
                //交由case3处理
                p = q;
        }
    }
}

updateHead(Node, Node)源码为

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

size()

public int size() {
    int count = 0;
    for (Node p = first(); p != null; p = succ(p))
        if (p.item != null)
            // Collection.size() spec says to max out
            if (++count == Integer.MAX_VALUE)
                break;
    return count;
}

可以看出，与大多数collection不同，size方法不是一个固定时间操作。由于队列的异步特性，确定当前元素的数量需要遍历这些元素。

本文就讲到这里，想了解Java并发编程更多内容请参考：

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