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ConcurrentLinkedQueue介紹
ConcurrentLinkedQueue是線程安全的隊列，它適用於“高並發”的場景。
它是一個基於鏈接節點的無界線程安全隊列，按照 FIFO（先進先出）原則對元素進行排序。隊列元素中不可以放置null元素（內部實現的特殊節點除外）。
ConcurrentLinkedQueue原理和數據結構
ConcurrentLinkedQueue的數據結構，如下圖所示：
說明：
1. ConcurrentLinkedQueue繼承於AbstractQueue。
2. ConcurrentLinkedQueue內部是通過鏈表來實現的。它同時包含鏈表的頭節點head和尾節點tail。ConcurrentLinkedQueue按照 FIFO（先進先出）原則對元素進行排序。元素都是從尾部插入到鏈表，從頭部開始返回。
3. ConcurrentLinkedQueue的鏈表Node中的next的類型是volatile，而且鏈表數據item的類型也是volatile。關於volatile，我們知道它的語義包含：“即對一個volatile變量的讀，總是能看到（任意線程）對這個volatile變量最后的寫入”。ConcurrentLinkedQueue就是通過volatile來實現多線程對競爭資源的互斥訪問的。
ConcurrentLinkedQueue函數列表
// 創建一個最初為空的 ConcurrentLinkedQueue。 ConcurrentLinkedQueue() // 創建一個最初包含給定 collection 元素的 ConcurrentLinkedQueue，按照此 collection 迭代器的遍歷順序來添加元素。 ConcurrentLinkedQueue(Collection<? extends E> c) // 將指定元素插入此隊列的尾部。 boolean add(E e) // 如果此隊列包含指定元素，則返回 true。 boolean contains(Object o) // 如果此隊列不包含任何元素，則返回 true。 boolean isEmpty() // 返回在此隊列元素上以恰當順序進行迭代的迭代器。 Iterator<E> iterator() // 將指定元素插入此隊列的尾部。 boolean offer(E e) // 獲取但不移除此隊列的頭；如果此隊列為空，則返回 null。 E peek() // 獲取並移除此隊列的頭，如果此隊列為空，則返回 null。 E poll() // 從隊列中移除指定元素的單個實例（如果存在）。 boolean remove(Object o) // 返回此隊列中的元素數量。 int size() // 返回以恰當順序包含此隊列所有元素的數組。 Object[] toArray() // 返回以恰當順序包含此隊列所有元素的數組；返回數組的運行時類型是指定數組的運行時類型。
<T> T[] toArray(T[] a)
ConcurrentLinkedQueue源碼分析(JDK1.7.0_40版本)
ConcurrentLinkedQueue的完整源碼如下：
View Code
下面從ConcurrentLinkedQueue的創建，添加，刪除這幾個方面對它進行分析。
1 創建
下面以ConcurrentLinkedQueue()來進行說明。
public ConcurrentLinkedQueue() {
head = tail = new Node<E>(null);
}
說明：在構造函數中，新建了一個“內容為null的節點”，並設置表頭head和表尾tail的值為新節點。
head和tail的定義如下：
private transient volatile Node<E> head; private transient volatile Node<E> tail;
head和tail都是volatile類型，他們具有volatile賦予的含義：“即對一個volatile變量的讀，總是能看到（任意線程）對這個volatile變量最后的寫入”。
Node的聲明如下：
private static class Node<E> {
volatile E item;
volatile Node<E> next;
Node(E item) {
UNSAFE.putObject(this, itemOffset, item);
}
boolean casItem(E cmp, E val) {
return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, itemOffset, cmp, val);
}
void lazySetNext(Node<E> val) {
UNSAFE.putOrderedObject(this, nextOffset, val);
}
boolean casNext(Node<E> cmp, Node<E> val) {
return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, nextOffset, cmp, val);
}
// Unsafe mechanics
private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
private static final long itemOffset;
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);
}
}
}
說明：
Node是個單向鏈表節點，next用於指向下一個Node，item用於存儲數據。Node中操作節點數據的API，都是通過Unsafe機制的CAS函數實現的；例如casNext()是通過CAS函數“比較並設置節點的下一個節點”。
2. 添加
下面以add(E e)為例對ConcurrentLinkedQueue中的添加進行說明。
public boolean add(E e) {
return offer(e);
}
說明：add()實際上是調用的offer()來完成添加操作的。
offer()的源碼如下：
public boolean offer(E e) {
// 檢查e是不是null，是的話拋出NullPointerException異常。
checkNotNull(e);
// 創建新的節點
final Node<E> newNode = new Node<E>(e);
// 將“新的節點”添加到鏈表的末尾。
for (Node<E> t = tail, p = t;;) {
Node<E> q = p.next;
// 情況1：q為空
if (q == null) {
// CAS操作：如果“p的下一個節點為null”(即p為尾節點)，則設置p的下一個節點為newNode。
// 如果該CAS操作成功的話，則比較“p和t”(若p不等於t，則設置newNode為新的尾節點)，然后返回true。
// 如果該CAS操作失敗，這意味着“其它線程對尾節點進行了修改”，則重新循環。
if (p.casNext(null, newNode)) {
if (p != t) // hop two nodes at a time
casTail(t, newNode); // Failure is OK.
return true;
}
}
// 情況2：p和q相等
else if (p == q)
p = (t != (t = tail)) ? t : head;
// 情況3：其它
else
p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q;
}
}
說明：offer(E e)的作用就是將元素e添加到鏈表的末尾。offer()比較的地方是理解for循環，下面區分3種情況對for進行分析。
情況1 -- q為空。這意味着q是尾節點的下一個節點。此時，通過p.casNext(null, newNode)將“p的下一個節點設為newNode”，若設置成功的話，則比較“p和t”(若p不等於t，則設置newNode為新的尾節點)，然后返回true。否則的話(意味着“其它線程對尾節點進行了修改”)，什么也不做，繼續進行for循環。
p.casNext(null, newNode)，是調用CAS對p進行操作。若“p的下一個節點等於null”，則設置“p的下一個節點等於newNode”；設置成功的話，返回true，失敗的話返回false。
情況2 -- p和q相等。這種情況什么時候會發生呢？通過“情況3”，我們知道，經過“情況3”的處理后，p的值可能等於q。
此時，若尾節點沒有發生變化的話，那么，應該是頭節點發生了變化，則設置p為頭節點，然后重新遍歷鏈表；否則(尾節點變化的話)，則設置p為尾節點。
情況3 -- 其它。
我們將p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q;轉換成如下代碼。
if (p==t) {
p = q;
} else {
Node<E> tmp=t;
t = tail;
if (tmp==t) {
p=q;
} else {
p=t;
}
}
如果p和t相等，則設置p為q。否則的話，判斷“尾節點是否發生變化”，沒有變化的話，則設置p為q；否則，設置p為尾節點。
checkNotNull()的源碼如下：
private static void checkNotNull(Object v) {
if (v == null)
throw new NullPointerException();
}
3. 刪除
下面以poll()為例對ConcurrentLinkedQueue中的刪除進行說明。
public E poll() {
// 設置“標記”
restartFromHead:
for (;;) {
for (Node<E> h = head, p = h, q;;) {
E item = p.item;
// 情況1
// 表頭的數據不為null，並且“設置表頭的數據為null”這個操作成功的話;
// 則比較“p和h”(若p!=h，即表頭發生了變化，則更新表頭，即設置表頭為p)，然后返回原表頭的item值。
if (item != null && p.casItem(item, null)) {
if (p != h) // hop two nodes at a time
updateHead(h, ((q = p.next) != null) ? q : p);
return item;
}
// 情況2
// 表頭的下一個節點為null，即鏈表只有一個“內容為null的表頭節點”。則更新表頭為p，並返回null。
else if ((q = p.next) == null) {
updateHead(h, p);
return null;
}
// 情況3
// 這可能到由於“情況4”的發生導致p=q，在該情況下跳轉到restartFromHead標記重新操作。
else if (p == q)
continue restartFromHead;
// 情況4
// 設置p為q
else
p = q;
}
}
}
說明：poll()的作用就是刪除鏈表的表頭節點，並返回被刪節點對應的值。poll()的實現原理和offer()比較類似，下面根將or循環划分為4種情況進行分析。
情況1：“表頭節點的數據”不為null，並且“設置表頭節點的數據為null”這個操作成功。
p.casItem(item, null) -- 調用CAS函數，比較“節點p的數據值”與item是否相等，是的話，設置節點p的數據值為null。
在情況1發生時，先比較“p和h”，若p!=h，即表頭發生了變化，則調用updateHead()更新表頭；然后返回刪除節點的item值。
updateHead()的源碼如下：
final void updateHead(Node<E> h, Node<E> p) {
if (h != p && casHead(h, p))
h.lazySetNext(h);
}
說明：updateHead()的最終目的是更新表頭為p，並設置h的下一個節點為h本身。
casHead(h,p)是通過CAS函數設置表頭，若表頭等於h的話，則設置表頭為p。
lazySetNext()的源碼如下：
void lazySetNext(Node<E> val) {
UNSAFE.putOrderedObject(this, nextOffset, val);
}
putOrderedObject()函數，我們在前面一章“TODO”中介紹過。h.lazySetNext(h)的作用是通過CAS函數設置h的下一個節點為h自身，該設置可能會延遲執行。
情況2：如果表頭的下一個節點為null，即鏈表只有一個“內容為null的表頭節點”。
則調用updateHead(h, p)，將表頭更新p；然后返回null。
情況3：p=q
在“情況4”的發生后，會導致p=q；此時，“情況3”就會發生。當“情況3”發生后，它會跳轉到restartFromHead標記重新操作。
情況4：其它情況。
設置p=q。
ConcurrentLinkedQueue示例
1 import java.util.*;
2 import java.util.concurrent.*;
3
4 /*
5 * ConcurrentLinkedQueue是“線程安全”的隊列，而LinkedList是非線程安全的。
6 *
7 * 下面是“多個線程同時操作並且遍歷queue”的示例
8 * (01) 當queue是ConcurrentLinkedQueue對象時，程序能正常運行。
9 * (02) 當queue是LinkedList對象時，程序會產生ConcurrentModificationException異常。
10 *
11 * @author skywang
12 */
13 public class ConcurrentLinkedQueueDemo1 {
14
15 // TODO: queue是LinkedList對象時，程序會出錯。
16 //private static Queue<String> queue = new LinkedList<String>();
17 private static Queue<String> queue = new ConcurrentLinkedQueue<String>();
18 public static void main(String[] args) {
19
20 // 同時啟動兩個線程對queue進行操作！
21 new MyThread("ta").start();
22 new MyThread("tb").start();
23 }
24
25 private static void printAll() {
26 String value;
27 Iterator iter = queue.iterator();
28 while(iter.hasNext()) {
29 value = (String)iter.next();
30 System.out.print(value+", ");
31 }
32 System.out.println();
33 }
34
35 private static class MyThread extends Thread {
36 MyThread(String name) {
37 super(name);
38 }
39 @Override
40 public void run() {
41 int i = 0;
42 while (i++ < 6) {
43 // “線程名” + "-" + "序號"
44 String val = Thread.currentThread().getName()+i;
45 queue.add(val);
46 // 通過“Iterator”遍歷queue。
47 printAll();
48 }
49 }
50 }
51 }
(某一次)運行結果：
ta1, ta1, tb1, tb1, ta1, ta1, tb1, tb1, ta2, ta2, tb2, tb2, ta1, ta1, tb1, tb1, ta2, ta2, tb2, tb2, ta3, tb3, ta3, ta1, tb3, tb1, ta4, ta2, ta1, tb2, tb1, ta3, ta2, tb3, tb2, ta4, ta3, tb4, tb3, ta1, ta4, tb1, tb4, ta2, ta5, tb2, ta1, ta3, tb1, tb3, ta2, ta4, tb2, tb4, ta3, ta5, tb3, tb5, ta4, ta1, tb4, tb1, ta5, ta2, tb5, tb2, ta6, ta3, ta1, tb3, tb1, ta4, ta2, tb4, tb2, ta5, ta3, tb5, tb3, ta6, ta4, tb6, tb4, ta5, tb5, ta6, tb6,
結果說明：如果將源碼中的queue改成LinkedList對象時，程序會產生ConcurrentModificationException異常。