并发队列之ConcurrentLinkedQueue

Posted 2021-03-11 wyq1995

　　本来想着直接说线程池的，不过在说线程池之前，我们必须要知道并发安全队列；因为一般情况下线程池中的线程数量是一定的，肯定不会超过某个阈值，那么当任务太多了的时候，我们必须把多余的任务保存到并发安全队列中，当线程池中的线程空闲下来了，就会到并发安全队列中拿任务；

　　那么什么是并发安全队列呢？其实可以简单看作是一个链表，然后我们先办法去存取节点；总的来说，并发安全队列分为两种，一种是阻塞的，一种是非阻塞的，前者是用锁来实现的，后者用CAS实现的；

 

一.简单介绍ConcurrentLinkedQueue

　　这个队列用法没什么好说的，就类似LinkedList的用法，怎么对一个链表继续增删改查，不多说，我们就说一下其中几个关键的方法；

　　首先，这个队列是一个线程安全的无界非阻塞队列，其实就是一个单向链表，无界的意思就是没有限制最大长度，非阻塞表示用CAS实现入队和出队操作，我们打开这个类就可以知道，有一个内部类Node，其中重要的属性如下所示：

//用于存放节点的值
volatile E item;
//指向下一个节点
volatile Node<E> next;
//这里也是用的是UNSAFE类，前面说过了，这个类直接提供CAS操作
private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
//item字段的偏移量
private static final long itemOffset;
//next的偏移量
private static final long nextOffset;

 

 

　　然后ConcurrentLinkedQueue中几个重要的属性，好像也没什么重要的，就保存了头节点和尾节点，注意，默认情况下头节点和尾节点都是哨兵节点，也就是一个存null的Node节点

//存放链表的头节点
private transient volatile Node<E> head;
//存放链表的尾节点
private transient volatile Node<E> tail;
//UNSAFE对象
private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
//head字段的偏移量
private static final long headOffset;
//tail字段偏移量
private static final long tailOffset;

 

 

 

 

　　下面我们直接看一些重要方法吧！慢慢分析其中的算法才是关键的

 

二.offer方法

　　这个方法的作用就是在队列末端添加一个节点，如果传递的参数是null，就抛出空指针异常，否则由于该队列是无界队列，该方法会一直返回true，而且该方法使用CAS算法实现的，所以不会阻塞线程；

//队列末端添加一个节点
public boolean offer(E e) {
    //如果e为空，那么抛出空指针异常
    checkNotNull(e);
    //将传进来的元素封装成一个节点，Node的构造器中调用UNSAFE.putObject(this, itemOffset, item)把e赋值给节点中的item
    final Node<E> newNode = new Node<E>(e);

    //[1]
    //这里的for循环从最后的节点开始
    for (Node<E> t = tail, p = t;;) {
      Node<E> q = p.next;
      //[2]如果q为null，说明p就是最后的节点了
        if (q == null) {
            //[3]CAS更新：如果p节点的下一个节点是null，就把写个节点更新为newNode
            if (p.casNext(null, newNode)) {
                //[4]CAS成功，但是这时p==t,所以不会进入到这里的if里面，直接返回true
                //那么什么时候会走到这里面来呢？其实是要有另外一个线程也在调用offer方法的时候，会进入到这里面来
                if (p != t) 
                    casTail(t, newNode);  
                return true;
            }
        }
        else if (p == q) //[5]
            
            p = (t != (t = tail)) ? t : head;
        else //[6]
            p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q;
    }
}

 

　　

　　上面执行到[3]的时候，由于头节点和尾节点默认都是指向哨兵节点的，由于这个时候p的下一个节点为null，所以当前线程A执行CAS会成功，下图所示；

 

 

　　如果此时还有一个线程B也来尝试[3]中CAS，由于此时p节点的下一个节点不是null了，于是线程B会跳到[1]出进行第二次循环，然后会到[6]中，由于p和t此时是相等的，所以这里是false，即p=q，下图所示：

 

 

　　然后线程B又会跳到[1]处进行第三次循环，由于执行了Node<E> q = p.next，所以此时q指向最后的null，就到了[3]处进行CAS，这次是可以成功的，成功之后如下图所示：

 

 

 　　

　　这个时候因为p！=t，所以可以进入到[4]，这里又会进行一个CAS：如果tail和t指向的节点一样，那么就将tail指向新添加的节点，如图所示，这个时候线程B也就执行完了；

 

 　　

　　其实还有[5]没有走到，这个是在poll操作之后才执行的，我们先跳过，等说完poll方法之后再回头看看；另外说一下，add方法其实就是调用的是offer方法，就不多说了；

 

 

三.poll方法

　　这个方法是获取头部的这个节点，如果队列为空则返回null；

public E poll() {
    //这里其实就是一个goto的标记，用于跳出for循环
    restartFromHead:
    //[1]
    for (;;) {
        for (Node<E> h = head, p = h, q;;) {
            E item = p.item;
            //[2]如果当前节点中存的值不为空，则CAS设置为null
            if (item != null && p.casItem(item, null)) {
                //[3]CAS成功就更新头节点的位置
                if (p != h) 
                    updateHead(h, ((q = p.next) != null) ? q : p);
                return item;
            }
            //[4]当前队列为空，就返回null
            else if ((q = p.next) == null) {
                updateHead(h, p);
                return null;
            }
            //[5]当前节点和下一个节点一样，说明节点自引用，则重新找头节点
            else if (p == q)
                continue restartFromHead;
            //[6]
            else
                p = q;
        }
    }
}

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

　　

　　分为几种情况，第一种情况是线程A调用poll方法的时候，发现队列是空的，即头节点和尾节点都指向哨兵节点，就会直接到[4]，返回null

　　第二种情况，线程A执行到了[4]，此时有一个线程却调用offer方法添加了一个节点，下图所示，那么此时线程A就不会走[4]了，[5]也不满足，于是会到[6]这里来，然后线程A又会跳到[1]处进行循环，此时p指向的节点中item不为null，所以会到[2]中；

 

 　　

　　到了[2]中将p指向的节点中item用CAS设置为null，然后就到了[3],下面第一个图，由于p！=h，q=null，所以最后调用的是updateHead(h,p)，这方法：如果头节点和h指向的是一样的，就将头节点指向p，我们还能看到updateHead方法中h.lazySetNext(h)表示h的下一个节点指向自己，下面图二

 

 　　到了这里还没完，还记不记得offer方法中有一个地方的代码没有执行的啊！就是这种情况，尾节点自己引用自己，我们再调用offer会怎么样呢？

　　回到offer方法，先会到[1]，然后q指向自己这个哨兵节点（注意，此时虽然p指向的节点中存的是null，但是p！=null}，于是再到[5]，此时的图如下左图所示；此时由于t==tail，所以p=head；

 

 　　再在offer方法循环一次，此时q指向null，下面左图所示，然后就可以进入[2]中进行CAS，CAS成功，因为此时p！=t，所以还要进行CAS将tail指向新节点，下面右图所示，可以让GC回收那个垃圾！

妈耶，这里比较绕！哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈

 

 

 

四.peek方法

　　这个方法的作用就是获取队列头部的元素，只获取不移除，注意这个方法和上面的poll方法的区别啊！

public E peek() {
    //[1]goto标志
    restartFromHead:
    for (;;) {
        for (Node<E> h = head, p = h, q;;) {
            //[2]
            E item = p.item;
            //[3]
            if (item != null || (q = p.next) == null) {
                updateHead(h, p);
                return item;
            }
            //[4]
            else if (p == q)
                continue restartFromHead;
            else//[5]
                p = q;
        }
    }
}

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

 

　　

　　如果队列中为空的时候，走到[3]的时候，就会如下图所示，由于h==p,所以updateHead方法啥也不做，然后返回就返回item为null

 

 

　　如果队列不为空，那么如下左图所示，此时进入循环内不满足条件，会到[5]这里，将p指向q，然后再进行一次循环到[3]，将q指向p的后一个节点，下面右图所示；

 

 

　　然后调用updateHead方法，用CAS将头节点指向p这里，然后将h自己指向自己，下图所示，最后返回item

 

 

五.总结

　　其实还有几个方法没说，但是感觉比较容易就不浪费篇幅了，有兴趣的可以看看：size方法用于计算队列中节点的数量，可是由于没有加锁，在并发的条件下不准确；remove方法删除某个节点，其实就是遍历然后用equals方法比较item是不是一样，只不过如果存在多个符合条件的节点只删除第一个，然后返回true，否则返回false；contains方法判断队列中是否包含指定item的节点，也就是遍历，很容易；

　　最麻烦的就是offer方法和poll方法，offer方法是在队列的最后面添加节点，而poll是获取头节点，并且删除第一个真正的队列节点(注意，节点分为两种，一种是哨兵节点，一种是真正的存了数据的节点啊)，还简单的说了一下poll方法和peek方法的区别，后者只是获取，而不删除啊！用下面这个图帮助记忆一下；