jdk concurrent collection---ConcurrentLinkedQueue原理分析

先来回顾之前提到过的ConcurrentHashMap，它是一个以Concurrent开头的并发集合类，其原理是通过增加锁和细化锁的粒度来提高并发度。

    另一个值得一提的Concurrent是 ConcurrentLinkedQueue。这个类采用了另一种提高并发度的方式：非阻塞算法（Non-blocking），第一次实现了无锁的并发。

  谈到这里，先要介绍一下非阻塞算法。其实非阻塞算法并不是什么神秘高深的东西，它需要有一套硬件和指令的配合（似乎目前大多数pc都能支持），主要解决的 问题是：在许多时候，一个线程A持有其他线程B，C，D所需要的资源，但线程A遭遇网络阻塞，或数据库连接阻塞，或页面阻塞等。这时B，C，D就必须等待 A执行结束才能继续向前推进。这种情况在队列、堆栈等数据结构中也会经常出现，典型的如将一个队列中的数据取出来需要锁整个队列，也就是说，在对队列的操 作中，各个线程实际上是串行的，中间还需要加上线程上下文切换的开销。如何在取队列中元素时进一步提高并发度（就像ConcurrentHashMap一 样只锁部分）。ConcurrentHashMap是固定的16个段，并且每个段的操作是独立的，所以每个段使用了一把锁，关于这点也是考虑到一些开销和 安全的问题，而队列中元素则是可以动态增长的，因为要涉及到队列指针的问题，不是锁单独一个元素就能够保证其原子性的。这时传说中的非阻塞算法就是比较好 的选择了。

非阻塞算法

  在《Concurrency in practice》中对两个概念nonblocking和lock-free进行了解释。nonblocking定义为：任何线程失败或挂起不影响其他线 程的失败或挂起；而lock-free定义为：在执行的的每一步，都有线程能够向前推进。而一个基于CAS（compareAndSet）且构造正确的算 法一定是nonblocking和lock-free的。

  对于java中的非阻塞算法，核心原理是采用硬件级的指令来保证CAS的原子性，不同于lock这样的悲观锁定，非阻塞算法是乐观的，它基于某些算法步骤 是不安全的，在每次进行CAS时可能成功，也可能失败，失败则再取新值重新CAS，这样不用每次使用lock以保证得到锁的线程必须成功。

  一个比较好的例子是 Java 理论与实践: 非阻塞算法简介中的Nonblocking stack，这里采用的是Treiber 的非阻塞算法。这个例子比较容易，之后有一个对ConcurrentLinkedQueue的put方法介绍的例子，这里又是采用的 Michael-Scott算法。

  开发非阻塞算法是一项非常有挑战的任务，对一个算法中的每一步都需要证明不会产生冲突和死锁。当然，也遵循一些规律，首先无论是否在多线程的多步执行中必 须使得数据结构总是在一致的状态。即一个线程不能打断另一个线程的原子操作。其次，假设一个线程执行更新，另一个线程等待更新，如果前一个线程更新失败， 则后一个线程会浪费等待时间，并且在等待中没有任何向前推进。解决的办法是细化原子操作的粒度，并且后一个线程使用快照。

@ThreadSafe public class LinkedQueue <E> { private static class Node <E> {     final E item;     final AtomicReference<Node<E>> next;     public Node(E item, Node<E> next) {         this.item = item;         this.next = new AtomicReference<Node<E>>(next);     } } private final Node<E> dummy = new Node<E>(null, null); private final AtomicReference<Node<E>> head = new AtomicReference<Node<E>>(dummy); private final AtomicReference<Node<E>> tail = new AtomicReference<Node<E>>(dummy); public boolean put(E item) {     Node<E> newNode = new Node<E>(item, null);     while (true) {     Node<E> curTail = tail.get();     Node<E> tailNext = curTail.next.get();     if (curTail == tail.get()) {         if (tailNext != null) {             tail.compareAndSet(curTail, tailNext);         } else {             if (curTail.next.compareAndSet(null, newNode)) {                 tail.compareAndSet(curTail, newNode);                 return true;             }         }     }     } } }

 

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