并发容器-ConcurrentLinkedQueue详解

2018-11-08 本文已影响288人叩丁狼教育

作者：王一飞老师，叩丁狼教育高级讲师

概念

并编程中，一般需要用到安全的队列，如果要自己实现安全队列，可以使用2种方式：
方式1：加锁，这种实现方式就是我们常说的阻塞队列。
方式2：使用循环CAS算法实现，这种方式实现队列称之为非阻塞队列。
先对而已，加锁队列的实现较为简单，这里就略过，我们来重点来解读一下非阻塞队列。
从点到面，下面我们来看下非阻塞队列经典实现类：ConcurrentLinkedQueue （JDK1.8版）

ConcurrentLinkedQueue

根据API解释，ConcurrentLinkedQueue 是一个基于链接节点的无界线程安全的队列，按照先进先出原则对元素进行排序。新元素从队列尾部插入，而获取队列元素，则需要从队列头部获取。

看下ConcurrentLinkedQueue的结构图

外部图

内部图

从内图可以了解ConcurrentLinkedQueue一个大概，ConcurrentLinkedQueue内部持有2个节点：head头结点，负责出列， tail尾节点，负责入列。而元素节点Node，使用item存储入列元素，next指向下一个元素节点。

    private static class Node<E> {
        volatile E item;
        volatile Node<E> next;
        //....
    }

public class ConcurrentLinkedQueue<E> extends AbstractQueue<E>
        implements Queue<E>, java.io.Serializable {
        private transient volatile Node<E> head;
        private transient volatile Node<E> tail;  
        //....
}

ConcurrentLinkedQueue使用特点

ConcurrentLinkedQueue使用约定：
1:不允许null入列
2:在入队的最后一个元素的next为null
3:队列中所有未删除的节点的item都不能为null且都能从head节点遍历到
4:删除节点是将item设置为null, 队列迭代时跳过item为null节点
5:head节点跟tail不一定指向头节点或尾节点，可能存在滞后性

之所以有这奇葩约定，全因ConcurrentLinkedQueue是并发非阻塞队列决定的。
我们从源码上看一下ConcurrentLinkedQueue实现过程

入列

我们印象中链表特点：tail节点表示最后一个节点， head表示第一个节点。ConcurrentLinkedQueue 跟传统的链表有点区别，在单线程环境下符合传统链表特点，但涉及到多线程环境，ConcurrentLinkedQueue 中的tail节点不一定是最后一个节点，他可能是倒数第二个。所以ConcurrentLinkedQueue判断队尾条件是节点的next为null。

   public boolean offer(E e) {
        checkNotNull(e);   //为空判断，e为null是抛异常
        final Node<E> newNode = new Node<E>(e); //将e包装成newNode
        for (Node<E> t = tail, p = t;;) {  //循环cas，直至加入成功
            //t = p = tail 
            Node<E> q = p.next;
            if (q == null) {   //判断p是否为尾节点
                //如果是，p.next = newNode
                if (p.casNext(null, newNode)) {
                    //首次添加时，p 等于t，不进行尾节点更新，所以所尾节点存在滞后性  
                    //并发环境，可能存添加/删除，tail就更难保证正确指向最后节点。
                    if (p != t) 
                        //更新尾节点为最新元素
                        casTail(t, newNode);  
                    return true;
                }
            }
            else if (p == q)
                //当tail不执行最后节点时，如果执行出列操作，很有可能将tail也给移除了    
                //此时需要对tail节点进行复位，复位到head节点
                p = (t != (t = tail)) ? t : head;
            else
                //推动tail尾节点往队尾移动
                p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q;
        }
    }

分析

初始化

添加A

添加B

添加C

从图上看tail不一定执行最后一个节点，但可以确定最后节点的next节点为null。到这可能朋友问他，并发环境什么情况都有可能，ConcurrentLinkedQueue是怎么保证线程安全的？
我们观察offer方法的设计，
1：是一个死循环，就是不停使用cas判断直到添加元素入队成功。

for (Node<E> t = tail, p = t;;)

2：2个cas判断方法
p.casNext(null, newNode) 确保队列在入列时是原子操作

 private boolean casTail(Node<E> cmp, Node<E> val) {
     return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, tailOffset, cmp, val);
 }

casTail(t, newNode); 确保tail队尾在移动改变时是原子操作

boolean casNext(Node<E> cmp, Node<E> val) {
    return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, nextOffset, cmp, val);
}

而在并发环境，ConcurrentLinkedQueue入列线程安全考虑具体可分2类：
1>线程1线程2同时入列
这个好理解，线程1，线程2不管在offer哪个位置开始并发，他们最终的目的都是入列，也即都需要执行casNext方法，我们只需要确保所有线程都有机会执行casNext方法，并且保证casNext方法是原子操作即可。casNext失败的线程，可以进入下一轮循环，人品好的话就可以入列，衰的话继续循环

2>线程1遍历，线程2入列
ConcurrentLinkedQueue 遍历是线程不安全的，线程1遍历，线程2很有可能进行入列出列操作，所以ConcurrentLinkedQueue 的size是变化。换句话说，要想安全遍历ConcurrentLinkedQueue 队列，必须额外加锁。

但换一个角度想， ConcurrentLinkedQueue 的设计初衷非阻塞队列，我们更多关注入列与出列线程安全，这2点能保证就可以啦。

出列

    public E poll() {
        restartFromHead:
        for (;;) {
            for (Node<E> h = head, p = h, q;;) {
                //入列折腾的tail，那出列折腾的就是head
                E item = p.item;
                //出列判断依据是节点的item=null
                //item ！= null， 并且能将操作节点的item设置null， 表示出列成功
                if (item != null && p.casItem(item, null)) {
                    if (p != h) 
                        //一旦出列成功需要对head进行移动
                        updateHead(h, ((q = p.next) != null) ? q : p);
                    return item;
                }
                else if ((q = p.next) == null) {
                    updateHead(h, p);
                    return null;
                }
                else if (p == q)
                    //第一轮操作失败，下一轮继续，调回到循环前
                    continue restartFromHead;
                else
                    //推动head节点移动
                    p = q;
            }
        }
    }