JUC集合: ConcurrentLinkedQueue详解
ConcurerntLinkedQueue一个基于链接节点的无界线程安全队列。此队列按照 FIFO(先进先出)原则对元素进行排序。队列的头部是队列中时间最长的元素。队列的尾部 是队列中时间最短的元素。新的元素插入到队列的尾部，队列获取操作从队列头部获得元素。当多个线程共享访问一个公共 collection 时，ConcurrentLinkedQueue是一个恰当的选择。此队列不允许使用null元素。@pdai
带着BAT大厂的面试问题去理解
提示
请带着这些问题继续后文，会很大程度上帮助你更好的理解相关知识点。@pdai
- 要想用线程安全的队列有哪些选择? Vector，
Collections.synchronizedList(List<T> list), ConcurrentLinkedQueue等 - ConcurrentLinkedQueue实现的数据结构?
- ConcurrentLinkedQueue底层原理? 全程无锁(CAS)
- ConcurrentLinkedQueue的核心方法有哪些? offer()，poll()，peek()，isEmpty()等队列常用方法
- 说说ConcurrentLinkedQueue的HOPS(延迟更新的策略)的设计?
- ConcurrentLinkedQueue适合什么样的使用场景?
ConcurrentLinkedQueue数据结构
通过源码分析可知，ConcurrentLinkedQueue的数据结构与LinkedBlockingQueue的数据结构相同，都是使用的链表结构。ConcurrentLinkedQueue的数据结构如下:
说明: ConcurrentLinkedQueue采用的链表结构，并且包含有一个头节点和一个尾结点。
ConcurrentLinkedQueue源码分析
类的继承关系
public class ConcurrentLinkedQueue<E> extends AbstractQueue<E>
implements Queue<E>, java.io.Serializable {}
说明: ConcurrentLinkedQueue继承了抽象类AbstractQueue，AbstractQueue定义了对队列的基本操作；同时实现了Queue接口，Queue定义了对队列的基本操作，同时，还实现了Serializable接口，表示可以被序列化。
类的内部类
private static class Node<E> {
// 元素
volatile E item;
// next域
volatile Node<E> next;
/**
* Constructs a new node. Uses relaxed write because item can
* only be seen after publication via casNext.
*/
// 构造函数
Node(E item) {
// 设置item的值
UNSAFE.putObject(this, itemOffset, item);
}
// 比较并替换item值
boolean casItem(E cmp, E val) {
return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, itemOffset, cmp, val);
}
void lazySetNext(Node<E> val) {
// 设置next域的值，并不会保证修改对其他线程立即可见
UNSAFE.putOrderedObject(this, nextOffset, val);
}
// 比较并替换next域的值
boolean casNext(Node<E> cmp, Node<E> val) {
return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, nextOffset, cmp, val);
}
// Unsafe mechanics
// 反射机制
private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
// item域的偏移量
private static final long itemOffset;
// next域的偏移量
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);
}
}
}
说明: Node类表示链表结点，用于存放元素，包含item域和next域，item域表示元素，next域表示下一个结点，其利用反射机制和CAS机制来更新item域和next域，保证原子性。
类的属性
public class ConcurrentLinkedQueue<E> extends AbstractQueue<E>
implements Queue<E>, java.io.Serializable {
// 版本序列号
private static final long serialVersionUID = 196745693267521676L;
// 反射机制
private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
// head域的偏移量
private static final long headOffset;
// tail域的偏移量
private static final long tailOffset;
static {
try {
UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
Class<?> k = ConcurrentLinkedQueue.class;
headOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
(k.getDeclaredField("head"));
tailOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
(k.getDeclaredField("tail"));
} catch (Exception e) {
throw new Error(e);
}
}
// 头节点
private transient volatile Node<E> head;
// 尾结点
private transient volatile Node<E> tail;
}
说明: 属性中包含了head域和tail域，表示链表的头节点和尾结点，同时，ConcurrentLinkedQueue也使用了反射机制和CAS机制来更新头节点和尾结点，保证原子性。
类的构造函数
ConcurrentLinkedQueue()型构造函数
public ConcurrentLinkedQueue() {
// 初始化头节点与尾结点
head = tail = new Node<E>(null);
}
说明: 该构造函数用于创建一个最初为空的 ConcurrentLinkedQueue，头节点与尾结点指向同一个结点，该结点的item域为null，next域也为null。
ConcurrentLinkedQueue(Collection<? extends E>)型构造函数
public ConcurrentLinkedQueue(Collection<? extends E> c) {
Node<E> h = null, t = null;
for (E e : c) { // 遍历c集合
// 保证元素不为空
checkNotNull(e);
// 新生一个结点
Node<E> newNode = new Node<E>(e);
if (h == null) // 头节点为null
// 赋值头节点与尾结点
h = t = newNode;
else {
// 直接头节点的next域
t.lazySetNext(newNode);
// 重新赋值头节点
t = newNode;
}
}
if (h == null) // 头节点为null
// 新生头节点与尾结点
h = t = new Node<E>(null);
// 赋值头节点
head = h;
// 赋值尾结点
tail = t;
}
说明: 该构造函数用于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。
核心函数分析
offer函数
public boolean offer(E e) {
// 元素不为null
checkNotNull(e);
// 新生一个结点
final Node<E> newNode = new Node<E>(e);
for (Node<E> t = tail, p = t;;) { // 无限循环
// q为p结点的下一个结点
Node<E> q = p.next;
if (q == null) { // q结点为null
// p is last node
if (p.casNext(null, newNode)) { // 比较并进行替换p结点的next域
// Successful CAS is the linearization point
// for e to become an element of this queue,
// and for newNode to become "live".
if (p != t) // p不等于t结点，不一致 // hop two nodes at a time
// 比较并替换尾结点
casTail(t, newNode); // Failure is OK.
// 返回
return true;
}
// Lost CAS race to another thread; re-read next
}
else if (p == q) // p结点等于q结点
// 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.
// 原来的尾结点与现在的尾结点是否相等，若相等，则p赋值为head，否则，赋值为现在的尾结点
p = (t != (t = tail)) ? t : head;
else
// Check for tail updates after two hops.
// 重新赋值p结点
p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q;
}
}
说明: offer函数用于将指定元素插入此队列的尾部。下面模拟offer函数的操作，队列状态的变化(假设单线程添加元素，连续添加10、20两个元素)。
- 若ConcurrentLinkedQueue的初始状态如上图所示，即队列为空。单线程添加元素，此时，添加元素10，则状态如下所示
- 如上图所示，添加元素10后，tail没有变化，还是指向之前的结点，继续添加元素20，则状态如下所示
- 如上图所示，添加元素20后，tail指向了最新添加的结点。
poll函数
public E poll() {
restartFromHead:
for (;;) { // 无限循环
for (Node<E> h = head, p = h, q;;) { // 保存头节点
// item项
E item = p.item;
if (item != null && p.casItem(item, null)) { // item不为null并且比较并替换item成功
// Successful CAS is the linearization point
// for item to be removed from this queue.
if (p != h) // p不等于h // hop two nodes at a time
// 更新头节点
updateHead(h, ((q = p.next) != null) ? q : p);
// 返回item
return item;
}
else if ((q = p.next) == null) { // q结点为null
// 更新头节点
updateHead(h, p);
return null;
}
else if (p == q) // p等于q
// 继续循环
continue restartFromHead;
else
// p赋值为q
p = q;
}
}
}
说明: 此函数用于获取并移除此队列的头，如果此队列为空，则返回null。下面模拟poll函数的操作，队列状态的变化(假设单线程操作，状态为之前offer10、20后的状态，poll两次)。
- 队列初始状态如上图所示，在poll操作后，队列的状态如下图所示
- 如上图可知，poll操作后，head改变了，并且head所指向的结点的item变为了null。再进行一次poll操作，队列的状态如下图所示。
- 如上图可知，poll操作后，head结点没有变化，只是指示的结点的item域变成了null。
remove函数
public boolean remove(Object o) {
// 元素为null，返回
if (o == null) return false;
Node<E> pred = null;
for (Node<E> p = first(); p != null; p = succ(p)) { // 获取第一个存活的结点
// 第一个存活结点的item值
E item = p.item;
if (item != null &&
o.equals(item) &&
p.casItem(item, null)) { // 找到item相等的结点，并且将该结点的item设置为null
// p的后继结点
Node<E> next = succ(p);
if (pred != null && next != null) // pred不为null并且next不为null
// 比较并替换next域
pred.casNext(p, next);
return true;
}
// pred赋值为p
pred = p;
}
return false;
}
说明: 此函数用于从队列中移除指定元素的单个实例(如果存在)。其中，会调用到first函数和succ函数，first函数的源码如下
Node<E> first() {
restartFromHead:
for (;;) { // 无限循环，确保成功
for (Node<E> h = head, p = h, q;;) {
// p结点的item域是否为null
boolean hasItem = (p.item != null);
if (hasItem || (q = p.next) == null) { // item不为null或者next域为null
// 更新头节点
updateHead(h, p);
// 返回结点
return hasItem ? p : null;
}
else if (p == q) // p等于q
// 继续从头节点开始
continue restartFromHead;
else
// p赋值为q
p = q;
}
}
}
说明: first函数用于找到链表中第一个存活的结点。succ函数源码如下
final Node<E> succ(Node<E> p) {
// p结点的next域
Node<E> next = p.next;
// 如果next域为自身，则返回头节点，否则，返回next
return (p == next) ? head : next;
}
说明: succ用于获取结点的下一个结点。如果结点的next域指向自身，则返回head头节点，否则，返回next结点。下面模拟remove函数的操作，队列状态的变化(假设单线程操作，状态为之前offer10、20后的状态，执行remove(10)、remove(20)操作)。
- 如上图所示，为ConcurrentLinkedQueue的初始状态，remove(10)后的状态如下图所示
- 如上图所示，当执行remove(10)后，head指向了head结点之前指向的结点的下一个结点，并且head结点的item域置为null。继续执行remove(20)，状态如下图所示
- 如上图所示，执行remove(20)后，head与tail指向同一个结点，item域为null。
size函数
public int size() {
// 计数
int count = 0;
for (Node<E> p = first(); p != null; p = succ(p)) // 从第一个存活的结点开始往后遍历
if (p.item != null) // 结点的item域不为null
// Collection.size() spec says to max out
if (++count == Integer.MAX_VALUE) // 增加计数，若达到最大值，则跳出循环
break;
// 返回大小
return count;
}
说明: 此函数用于返回ConcurrenLinkedQueue的大小，从第一个存活的结点(first)开始，往后遍历链表，当结点的item域不为null时，增加计数，之后返回大小。
ConcurrentLinkedQueue示例
下面通过一个示例来了解ConcurrentLinkedQueue的使用
import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;
class PutThread extends Thread {
private ConcurrentLinkedQueue<Integer> clq;
public PutThread(ConcurrentLinkedQueue<Integer> clq) {
this.clq = clq;
}
public void run() {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
try {
System.out.println("add " + i);
clq.add(i);
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
class GetThread extends Thread {
private ConcurrentLinkedQueue<Integer> clq;
public GetThread(ConcurrentLinkedQueue<Integer> clq) {
this.clq = clq;
}
public void run() {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
try {
System.out.println("poll " + clq.poll());
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
public class ConcurrentLinkedQueueDemo {
public static void main(String[] args) {
ConcurrentLinkedQueue<Integer> clq = new ConcurrentLinkedQueue<Integer>();
PutThread p1 = new PutThread(clq);
GetThread g1 = new GetThread(clq);
p1.start();
g1.start();
}
}
运行结果(某一次):
add 0
poll null
add 1
poll 0
add 2
poll 1
add 3
poll 2
add 4
poll 3
add 5
poll 4
poll 5
add 6
add 7
poll 6
poll 7
add 8
add 9
poll 8
说明: GetThread线程不会因为ConcurrentLinkedQueue队列为空而等待，而是直接返回null，所以当实现队列不空时，等待时，则需要用户自己实现等待逻辑。
再深入理解
HOPS(延迟更新的策略)的设计
通过上面对offer和poll方法的分析，我们发现tail和head是延迟更新的，两者更新触发时机为：
tail更新触发时机：当tail指向的节点的下一个节点不为null的时候，会执行定位队列真正的队尾节点的操作，找到队尾节点后完成插入之后才会通过casTail进行tail更新；当tail指向的节点的下一个节点为null的时候，只插入节点不更新tail。head更新触发时机：当head指向的节点的item域为null的时候，会执行定位队列真正的队头节点的操作，找到队头节点后完成删除之后才会通过updateHead进行head更新；当head指向的节点的item域不为null的时候，只删除节点不更新head。
并且在更新操作时，源码中会有注释为：hop two nodes at a time。所以这种延迟更新的策略就被叫做HOPS的大概原因是这个(猜的 😃)，从上面更新时的状态图可以看出，head和tail的更新是“跳着的”即中间总是间隔了一个。那么这样设计的意图是什么呢?
如果让tail永远作为队列的队尾节点，实现的代码量会更少，而且逻辑更易懂。但是，这样做有一个缺点，如果大量的入队操作，每次都要执行CAS进行tail的更新，汇总起来对性能也会是大大的损耗。如果能减少CAS更新的操作，无疑可以大大提升入队的操作效率，所以doug lea大师每间隔1次(tail和队尾节点的距离为1)进行才利用CAS更新tail。对head的更新也是同样的道理，虽然，这样设计会多出在循环中定位队尾节点，但总体来说读的操作效率要远远高于写的性能，因此，多出来的在循环中定位尾节点的操作的性能损耗相对而言是很小的。
ConcurrentLinkedQueue适合的场景
ConcurrentLinkedQueue通过无锁来做到了更高的并发量，是个高性能的队列，但是使用场景相对不如阻塞队列常见，毕竟取数据也要不停的去循环，不如阻塞的逻辑好设计，但是在并发量特别大的情况下，是个不错的选择，性能上好很多，而且这个队列的设计也是特别费力，尤其的使用的改良算法和对哨兵的处理。整体的思路都是比较严谨的，这个也是使用了无锁造成的，我们自己使用无锁的条件的话，这个队列是个不错的参考。
参考文章
- 文章主要参考自leesf的https://www.cnblogs.com/leesf456/p/5539142.html，在此基础上做了增改。
- https://blog.csdn.net/u011521203/article/details/80214968
- https://blog.csdn.net/u014493323/article/details/81177194