Java多线程系列--“JUC集合”10之 ConcurrentLinkedQueue

概要

本章对Java.util.concurrent包中的ConcurrentHashMap类进行详细的介绍。内容包括:
ConcurrentLinkedQueue介绍
ConcurrentLinkedQueue原理和数据结构
ConcurrentLinkedQueue函数列表
ConcurrentLinkedQueue源码分析(JDK1.7.0_40版本)
ConcurrentLinkedQueue示例

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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:

Java多线程系列--“JUC集合”10之 ConcurrentLinkedQueue_第1张图片

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

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// 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(Collectionextends 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 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[] toArray(T[] a)
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ConcurrentLinkedQueue源码分析(JDK1.7.0_40版本)

ConcurrentLinkedQueue的完整源码如下:

View Code

 

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(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 head;
private transient volatile Node 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:

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private static class Node {
    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); } } }
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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:

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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 newNode = new Node(e); // 将“新的节点”添加到链表的末尾。 for (Node t = tail, p = t;;) { Node 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; } }
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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。

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if (p==t) {
    p = q;
} else {
    Node tmp=t; t = tail; if (tmp==t) { p=q; } else { p=t; } }
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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。

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public E poll() {
    // 设置“标记”
    restartFromHead:
    for (;;) { for (Node 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; } } }
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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 h, Node 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 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

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 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 queue = new LinkedList(); 17 private static Queue queue = new ConcurrentLinkedQueue(); 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 }
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(某一次)运行结果

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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, 
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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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