集合-ConcurrentLinkedQueue 原始碼解析

QI發表於2020-07-13
原始碼

問題

（1）ConcurrentLinkedQueue是阻塞佇列嗎？

（2）ConcurrentLinkedQueue如何保證併發安全？

（3）ConcurrentLinkedQueue能用於執行緒池嗎？

簡介

qrcode

ConcurrentLinkedQueue只實現了Queue介面，並沒有實現BlockingQueue介面，所以它不是阻塞佇列，也不能用於執行緒池中，但是它是執行緒安全的，可用於多執行緒環境中。

那麼，它的執行緒安全又是如何實現的呢？讓我們一起來瞧一瞧。

原始碼分析

主要屬性

// 連結串列頭節點
private transient volatile Node<E> head;
// 連結串列尾節點
private transient volatile Node<E> tail;

 

就這兩個主要屬性，一個頭節點，一個尾節點。

主要內部類

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

 

典型的單連結串列結構，非常純粹。

主要構造方法

public ConcurrentLinkedQueue() {
    // 初始化頭尾節點
    head = tail = new Node<E>(null);
}

public ConcurrentLinkedQueue(Collection<? extends E> c) {
    Node<E> h = null, t = null;
    // 遍歷c，並把它元素全部新增到單連結串列中
    for (E e : c) {
        checkNotNull(e);
        Node<E> newNode = new Node<E>(e);
        if (h == null)
            h = t = newNode;
        else {
            t.lazySetNext(newNode);
            t = newNode;
        }
    }
    if (h == null)
        h = t = new Node<E>(null);
    head = h;
    tail = t;
}

 

這兩個構造方法也很簡單，可以看到這是一個無界的單連結串列實現的佇列。

入隊

因為它不是阻塞佇列，所以只有兩個入隊的方法，add(e)和offer(e)。

因為是無界佇列，所以add(e)方法也不用丟擲異常了。

public boolean add(E e) {
    return offer(e);
}

public boolean offer(E e) {
    // 不能新增空元素
    checkNotNull(e);
    // 新節點
    final Node<E> newNode = new Node<E>(e);

    // 入隊到連結串列尾
    for (Node<E> t = tail, p = t;;) {
        Node<E> q = p.next;
        // 如果沒有next，說明到連結串列尾部了，就入隊
        if (q == null) {
            // CAS更新p的next為新節點
            // 如果成功了，就返回true
            // 如果不成功就重新取next重新嘗試
            if (p.casNext(null, newNode)) {
                // 如果p不等於t，說明有其它執行緒先一步更新tail
                // 也就不會走到q==null這個分支了
                // p取到的可能是t後面的值
                // 把tail原子更新為新節點
                if (p != t) // hop two nodes at a time
                    casTail(t, newNode);  // Failure is OK.
                // 返回入隊成功
                return true;
            }
        }
        else if (p == q)
            // 如果p的next等於p，說明p已經被刪除了（已經出隊了）
            // 重新設定p的值
            p = (t != (t = tail)) ? t : head;
        else
            // t後面還有值，重新設定p的值
            p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q;
    }
}

 

入隊整個流程還是比較清晰的，這裡有個前提是出隊時會把出隊的那個節點的next設定為節點本身。

（1）定位到連結串列尾部，嘗試把新節點放到後面；

（2）如果尾部變化了，則重新獲取尾部，再重試；

出隊

因為它不是阻塞佇列，所以只有兩個出隊的方法，remove()和poll()。

public E remove() {
    E x = poll();
    if (x != null)
        return x;
    else
        throw new NoSuchElementException();
}

public E poll() {
    restartFromHead:
    for (;;) {
        // 嘗試彈出連結串列的頭節點
        for (Node<E> h = head, p = h, q;;) {
            E item = p.item;
            // 如果節點的值不為空，並且將其更新為null成功了
            if (item != null && p.casItem(item, null)) {
                // 如果頭節點變了，則不會走到這個分支
                // 會先走下面的分支拿到新的頭節點
                // 這時候p就不等於h了，就更新頭節點
                // 在updateHead()中會把head更新為新節點
                // 並讓head的next指向其自己
                if (p != h) // hop two nodes at a time
                    updateHead(h, ((q = p.next) != null) ? q : p);
                // 上面的casItem()成功，就可以返回出隊的元素了
                return item;
            }
            // 下面三個分支說明頭節點變了
            // 且p的item肯定為null
            else if ((q = p.next) == null) {
                // 如果p的next為空，說明佇列中沒有元素了
                // 更新h為p，也就是空元素的節點
                updateHead(h, p);
                // 返回null
                return null;
            }
            else if (p == q)
                // 如果p等於p的next，說明p已經出隊了，重試
                continue restartFromHead;
            else
                // 將p設定為p的next
                p = q;
        }
    }
}
// 更新頭節點的方法
final void updateHead(Node<E> h, Node<E> p) {
    // 原子更新h為p成功後，延遲更新h的next為它自己
    // 這裡用延遲更新是安全的，因為head節點已經變了
    // 只要入隊出隊的時候檢查head有沒有變化就行了，跟它的next關係不大
    if (h != p && casHead(h, p))
        h.lazySetNext(h);
}

 

出隊的整個邏輯也是比較清晰的：

（1）定位到頭節點，嘗試更新其值為null；

（2）如果成功了，就成功出隊；

（3）如果失敗或者頭節點變化了，就重新尋找頭節點，並重試；

（4）整個出隊過程沒有一點阻塞相關的程式碼，所以出隊的時候不會阻塞執行緒，沒找到元素就返回null；

總結

（1）ConcurrentLinkedQueue不是阻塞佇列；

（2）ConcurrentLinkedQueue不能用線上程池中；

（3）ConcurrentLinkedQueue使用（CAS+自旋）更新頭尾節點控制出隊入隊操作；

彩蛋

ConcurrentLinkedQueue與LinkedBlockingQueue對比？

（1）兩者都是執行緒安全的佇列；

（2）兩者都可以實現取元素時佇列為空直接返回null，後者的poll()方法可以實現此功能；

（3）前者全程無鎖，後者全部都是使用重入鎖控制的；

（4）前者效率較高，後者效率較低；

（5）前者無法實現如果佇列為空等待元素到來的操作；

（6）前者是非阻塞佇列，後者是阻塞佇列；

（7）前者無法用線上程池中，後者可以；

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