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Java的ConcurrentLinkedQueue源碼分析

 更新時間:2023年12月26日 10:37:19   作者:茫然背影  
這篇文章主要介紹了Java的ConcurrentLinkedQueue源碼分析,ConcurrentLinkedQueue 是一個基于鏈接節(jié)點(diǎn)的無界線程安全的隊列,當(dāng)我們添加一個元素的時候,它會添加到隊列的尾部,當(dāng)我們獲取一個元素時,它會返回隊列頭部的元素,需要的朋友可以參考下

ConcurrentLinkedQueue介紹

并編程中,一般需要用到安全的隊列,如果要自己實(shí)現(xiàn)安全隊列,可以使用2種方式:

  • 方式1:加鎖,這種實(shí)現(xiàn)方式就是我們常說的阻塞隊列。
  • 方式2:使用循環(huán)CAS算法實(shí)現(xiàn),這種方式實(shí)現(xiàn)隊列稱之為非阻塞隊列。

從點(diǎn)到面, 下面我們來看下非阻塞隊列經(jīng)典實(shí)現(xiàn)類:ConcurrentLinkedQueue (JDK1.8版)

ConcurrentLinkedQueue 是一個基于鏈接節(jié)點(diǎn)的無界線程安全的隊列。當(dāng)我們添加一個元素的時候,它會添加到隊列的尾部,當(dāng)我們獲取一個元素時,它會返回隊列頭部的元素。它采用了“wait-free”算法來實(shí)現(xiàn),用CAS實(shí)現(xiàn)了非阻塞的線程安全隊列。當(dāng)多個線程共享訪問一個公共 collection 時,ConcurrentLinkedQueue 是一個恰當(dāng)?shù)倪x擇。此隊列不允許使用 null 元素,因為移除元素時實(shí)際是將節(jié)點(diǎn)中item置為null,如果元素本身為null,則跟刪除有沖突

我們首先看一下ConcurrentLinkedQueue的類圖結(jié)構(gòu)先,好有一個內(nèi)部邏輯有一個大概的印象,如下圖所示: 

主要屬性head節(jié)點(diǎn),tail節(jié)點(diǎn)

// 鏈表頭節(jié)點(diǎn)
private transient volatile Node<E> head;
// 鏈表尾節(jié)點(diǎn)
private transient volatile Node<E> tail;

主要內(nèi)部類Node

類Node在static方法里獲取到item和next的內(nèi)存偏移量,之后通過casItem和casNext更改item值和next節(jié)點(diǎn)

private static class Node<E> {
    volatile E item;
    volatile Node<E> next;
    /**
     * Constructs a new node.  Uses relaxed write because item can
     * only be seen after publication via casNext.
     */
    Node(E item) {
        //將item存放在本節(jié)點(diǎn)的itemOffset偏移量位置的內(nèi)存里
        UNSAFE.putObject(this, itemOffset, item);//設(shè)置this對象的itemoffset位置
    }
    //更新item值
    boolean casItem(E cmp, E val) {
       //this對象的itemoffset位置存放的值如果和期望值cmp相等,則替換為val
        return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, itemOffset, cmp, val);
    }
    void lazySetNext(Node<E> val) {
      //this對象的nextOffset位置存入val
        UNSAFE.putOrderedObject(this, nextOffset, val);
    }
    //更新next節(jié)點(diǎn)值
    boolean casNext(Node<E> cmp, Node<E> val) {
     //this對象的nextOffset位置存放的值如果和期望值cmp相等,則替換為val
        return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, nextOffset, cmp, val);
    }
    // Unsafe mechanics
    private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
    //當(dāng)前節(jié)點(diǎn)存放的item的內(nèi)存偏移量
    private static final long itemOffset;
    //當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的next節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存偏移量
    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);
        }
    }
}

concurrentlinkedqueue同樣在static方法里獲取到head和tail的內(nèi)存偏移量:之后通過casHead和casTail更改head節(jié)點(diǎn)和tail節(jié)點(diǎn)值

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

構(gòu)造方法

  • 無參構(gòu)造函數(shù),head=tail=new Node<E>(null)=空節(jié)點(diǎn)(里面無item值)
  • 集合構(gòu)造函數(shù)(集合中每個元素不能為null):就是將集合中的元素挨個鏈起來
//無參構(gòu)造函數(shù),head=tail=new Node<E>(null)=空節(jié)點(diǎn)
//初始一個為空的ConcurrentLinkedQueue,此時head和tail都指向一個item為null的節(jié)點(diǎn)
public ConcurrentLinkedQueue() {
    // 初始化頭尾節(jié)點(diǎn)
    head = tail = new Node<E>(null);
}
//集合構(gòu)造函數(shù):就是將集合中的元素挨個鏈起來
public ConcurrentLinkedQueue(Collection<? extends E> c) {
    Node<E> h = null, t = null;
    for (E e : c) {
        checkNotNull(e);
        Node<E> newNode = new Node<E>(e);
        if (h == null)
            h = t = newNode;
        else {
            t.lazySetNext(newNode);//可以理解為一種懶加載,  將t的next值設(shè)置為newNode
            t = newNode;
        }
    }
    if (h == null)
        h = t = new Node<E>(null);
    head = h;
    tail = t;
}
private static void checkNotNull(Object v) {
    if (v == null)
        throw new NullPointerException();
}
//putObjectVolatile的內(nèi)存非立即可見版本,
//寫后結(jié)果并不會被其他線程看到,通常是幾納秒后被其他線程看到,這個時間比較短,所以代價可以接收
void lazySetNext(Node<E> val) {
    UNSAFE.putOrderedObject(this, nextOffset, val);
}

入隊

獲取到當(dāng)前尾節(jié)點(diǎn)p=tail:

  • 如果p.next=null,代表是真正的尾節(jié)點(diǎn),將新節(jié)點(diǎn)鏈入p.next=newNode。此時檢查tail是否還是p,如果不是p了,此時更新tail為最新的newNode(只有在tail節(jié)點(diǎn)后面tail.next成功添加的元素才不需要更新tail,其實(shí)
  • 更新不更新tail是交替的,即每添加倆次更新一次tail)。
  • 如果p.next=p,此時其實(shí)是p.next==p==null,此時代表p被刪除了,此時需要從新的tail節(jié)點(diǎn)檢查,如果此時tail節(jié)點(diǎn)還是原來的tail(原來的tail在p前面,肯定也被刪除了),那就只能從head節(jié)點(diǎn)開始遍歷了
  • 如果p.next!=null,代表有別的線程搶先添加元素了,此時需要繼續(xù)p=p.next遍歷獲取是null的節(jié)點(diǎn)(此時需要如果tail變了就使用新的tail往后遍歷)
public boolean offer (E e){
    //先檢查元素是否為null,是null則拋出異常 不是null,則構(gòu)造新節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備入隊
    checkNotNull(e);
    final Node<E> newNode = new Node<E>(e);
    //初始p指針和t指針都指向尾節(jié)點(diǎn),p指針用來向隊列后面推移,t指針用來判斷尾節(jié)點(diǎn)是否改變
    Node<E> t = tail, p = t;
    for (; ; ) {
        Node<E> q = p.next;
        if (q == null) {//p.next為null,則代表p為尾節(jié)點(diǎn),則將p.next指向新節(jié)點(diǎn) 
            // p is last node
            if (p.casNext(null, newNode)) {
                /**
                 * 如果p!=t,即p向后推移了,t沒動,則此時同時將tail更新
                 * 不符合條件不更新tail,這里可以看出并不是每入隊一個節(jié)點(diǎn)都會更新tail的
                 * 而此時真正的尾節(jié)點(diǎn)其實(shí)是newNode了,所以tail不一定是真正的尾節(jié)點(diǎn),
                 * tail的更新具有滯后性,這樣設(shè)計提高了入隊的效率,不用每入隊一個,更新一次
                 *尾節(jié)點(diǎn)
                 */
                if (p != t)
                    casTail(t, newNode);  // Failure is OK.
                return true;
            }
            // Lost CAS race to another thread; re-read next
        } else if (p == q)
        /**
         * 如果p.next和p相等,這種情況是出隊時的一種哨兵節(jié)點(diǎn)代表已被遺棄刪除,
         * 那就是有線程在一直刪除節(jié)點(diǎn),刪除到了p.next 那此時如果有線程已經(jīng)更新了tail,那就從p指向tail再開始繼續(xù)像后推移
         * 如果始終沒有線程更新tail,則p指針從head開始向后推移
         *
         * p從head開始推移的原因:tail沒有更新,以前的tail肯定在哨兵節(jié)點(diǎn)的前面(因為此循環(huán)是從tail向后推移到哨兵節(jié)點(diǎn)的),
         * 而head節(jié)點(diǎn)一定在哨兵節(jié)點(diǎn)的后面(出隊時只有更新了head節(jié)點(diǎn),才會把前面部分的某個節(jié)點(diǎn)置為哨兵節(jié)點(diǎn))
         * 此時其實(shí)是一種tail在head之前,但實(shí)際上tail已經(jīng)無用了,哨兵之前的節(jié)點(diǎn)都無用了,
         * 等著其他線程入隊時更新尾節(jié)點(diǎn)tail,此時的tail才有用所以從head開始,從head開始可以找到任何節(jié)點(diǎn)
         *
         */
            p = (t != (t = tail)) ? t : head;
        else
        /**
         *  p.next和p不相等時,此時p應(yīng)該向后推移到p.next,即p=p.next,
         *  如果next一直不為null一直定位不到尾節(jié)點(diǎn),會一直next,
         *  但是中間會優(yōu)先判斷tail是否已更新,如果tail已更新則p直接從tail向后推移即可。就沒必要一直next了。
         */
            // Check for tail updates after two hops.
            p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q;
    }
}

出隊

poll出隊: 獲取到當(dāng)前頭節(jié)點(diǎn)p=head:如果成功設(shè)置了item為null,即p.catItem(item,null), 如果此時被其他線程搶走消費(fèi)了,此時需要p=p.next,向后繼續(xù)爭搶消費(fèi),直到成功執(zhí)行p.catItem(item,null),此時檢查p是不是head節(jié)點(diǎn),如果不是更新p.next為頭結(jié)點(diǎn)

public E poll() {
    restartFromHead:
    for (;;) {
        // p節(jié)點(diǎn)表示首節(jié)點(diǎn),即需要出隊的節(jié)點(diǎn)
        for (Node<E> h = head, p = h, q;;) {
            E item = p.item;
            // 如果p節(jié)點(diǎn)的元素不為null,則通過CAS來設(shè)置p節(jié)點(diǎn)引用的元素為null,如果成功則返回p節(jié)點(diǎn)的元素
            if (item != null && p.casItem(item, null)) {
                // Successful CAS is the linearization point
                // for item to be removed from this queue.
                // 如果p != h,則更新head
                if (p != h) // hop two nodes at a time
                    updateHead(h, ((q = p.next) != null) ? q : p);
                return item;
            }
            // 如果頭節(jié)點(diǎn)的元素為空或頭節(jié)點(diǎn)發(fā)生了變化,這說明頭節(jié)點(diǎn)已經(jīng)被另外一個線程修改了。
            // 那么獲取p節(jié)點(diǎn)的下一個節(jié)點(diǎn),如果p節(jié)點(diǎn)的下一節(jié)點(diǎn)為null,則表明隊列已經(jīng)空了
            else if ((q = p.next) == null) {
                // 更新頭結(jié)點(diǎn)
                updateHead(h, p);
                return null;
            }
            // p == q,則使用新的head重新開始
            else if (p == q)
                continue restartFromHead;
            // 如果下一個元素不為空,則將頭節(jié)點(diǎn)的下一個節(jié)點(diǎn)設(shè)置成頭節(jié)點(diǎn)
            else
                p = q;
        }
    }
}

總結(jié)

offer:

找到尾節(jié)點(diǎn),將新節(jié)點(diǎn)鏈入到尾節(jié)點(diǎn)后面,tail.next=newNode,

由于多線程操作,所以拿到p=tail后cas操作執(zhí)行p.next=newNode可能由于被其他線程搶去而執(zhí)行不成功,此時需要p=p.next向后遍歷,直到找到p.next=null的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。繼續(xù)嘗試向其后面添加元素,添加成功后檢查p是否是tail,如果不是tail,則更新tail=p,添加不成功繼續(xù)向后next遍歷

poll:

獲取到當(dāng)前頭節(jié)點(diǎn)p=head:如果成功設(shè)置了item為null,即p.catItem(item,null),

如果此時被其他線程搶走消費(fèi)了,此時需要p=p.next,向后繼續(xù)爭搶消費(fèi),直到成功執(zhí)行p.catItem(item,null),此時檢查p是不是head節(jié)點(diǎn),如果不是更新頭結(jié)點(diǎn)head=p.next(因為p已經(jīng)刪除了)

更新tail和head:

不是每次添加都更新tail,而是間隔一次更新一次(head也是一樣道理):第一個搶到的線程拿到tail執(zhí)行成功tail.next=newNode1此時不更新tail,那么第二個線程再執(zhí)行成功添加p.next=newNode2會判斷出p是newNode1而不是tail,所以就更新tail為newNode2。

tail節(jié)點(diǎn)不總是最后一個,head節(jié)點(diǎn)不總是第一個設(shè)計初衷:

讓tail節(jié)點(diǎn)永遠(yuǎn)作為隊列的尾節(jié)點(diǎn),這樣實(shí)現(xiàn)代碼量非常少,而且邏輯非常清楚和易懂。但是這么做有個缺點(diǎn)就是每次都需要使用循環(huán)CAS更新tail節(jié)點(diǎn)。如果能減少CAS更新tail節(jié)點(diǎn)的次數(shù),就能提高入隊的效率。

在JDK 1.7的實(shí)現(xiàn)中,doug lea使用hops變量來控制并減少tail節(jié)點(diǎn)的更新頻率,并不是每次節(jié)點(diǎn)入隊后都將 tail節(jié)點(diǎn)更新成尾節(jié)點(diǎn),而是當(dāng)tail節(jié)點(diǎn)和尾節(jié)點(diǎn)的距離大于等于常量HOPS的值(默認(rèn)等于1)時才更新tail節(jié)點(diǎn),tail和尾節(jié)點(diǎn)的距離越長使用CAS更新tail節(jié)點(diǎn)的次數(shù)就會越少,但是距離越長帶來的負(fù)面效果就是每次入隊時定位尾節(jié)點(diǎn)的時間就越長,因為循環(huán)體需要多循環(huán)一次來定位出尾節(jié)點(diǎn),但是這樣仍然能提高入隊的效率,因為從本質(zhì)上來看它通過增加對volatile變量的讀操作來減少了對volatile變量的寫操作,而對volatile變量的寫操作開銷要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于讀操作,所以入隊效率會有所提升。

在JDK 1.8的實(shí)現(xiàn)中,tail的更新時機(jī)是通過p和t是否相等來判斷的,其實(shí)現(xiàn)結(jié)果和JDK 1.7相同,即當(dāng)tail節(jié)點(diǎn)和尾節(jié)點(diǎn)的距離大于等于1時,更新tail。  

到此這篇關(guān)于Java的ConcurrentLinkedQueue源碼分析的文章就介紹到這了,更多相關(guān)ConcurrentLinkedQueue源碼內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!

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