Java并發(fā)編程之ConcurrentLinkedQueue源碼詳解
一、ConcurrentLinkedQueue介紹
并編程中,一般需要用到安全的隊列,如果要自己實現(xiàn)安全隊列,可以使用2種方式:
方式1:加鎖,這種實現(xiàn)方式就是我們常說的阻塞隊列。
方式2:使用循環(huán)CAS算法實現(xiàn),這種方式實現(xiàn)隊列稱之為非阻塞隊列。
從點到面, 下面我們來看下非阻塞隊列經(jīng)典實現(xiàn)類:ConcurrentLinkedQueue (JDK1.8版)
ConcurrentLinkedQueue 是一個基于鏈接節(jié)點的無界線程安全的隊列。當我們添加一個元素的時候,它會添加到隊列的尾部,當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”算法來實現(xiàn),用CAS實現(xiàn)了非阻塞的線程安全隊列。當多個線程共享訪問一個公共 collection 時,ConcurrentLinkedQueue 是一個恰當?shù)倪x擇。此隊列不允許使用 null 元素,因為移除元素時實際是將節(jié)點中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的類圖結構先,好有一個內部邏輯有一個大概的印象,如下圖所示:
主要屬性head節(jié)點,tail節(jié)點
// 鏈表頭節(jié)點 private transient volatile Node<E> head; // 鏈表尾節(jié)點 private transient volatile Node<E> tail;
主要內部類Node
類Node在static方法里獲取到item和next的內存偏移量,之后通過casItem和casNext更改item值和next節(jié)點
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)點的itemOffset偏移量位置的內存里 UNSAFE.putObject(this, itemOffset, item);//設置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; //當前節(jié)點存放的item的內存偏移量 private static final long itemOffset; //當前節(jié)點的next節(jié)點的內存偏移量 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的內存偏移量:之后通過casHead和casTail更改head節(jié)點和tail節(jié)點值
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); }
二、構造方法
- 無參構造函數(shù),head=tail=new Node<E>(null)=空節(jié)點(里面無item值)
- 集合構造函數(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
//無參構造函數(shù),head=tail=new Node<E>(null)=空節(jié)點 //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 public ConcurrentLinkedQueue() { // 初始化頭尾節(jié)點 head = tail = new Node<E>(null); } //集合構造函數(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的內存非立即可見版本, //寫后結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); }
三、入隊
獲取到當前尾節(jié)點p=tail:
- 如果p.next=null,代表是真正的尾節(jié)點,將新節(jié)點鏈入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)點后面tail.next成功添加的元素才不需要更新tail,其實更新不更新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)點檢查,如果此時tail節(jié)點還是原來的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(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,則構造新節(jié)點準備入隊 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,p指針用來向隊列后面推移,t指針用來判斷尾節(jié)點是否改變 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,則將p.next指向新節(jié)點 // 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)點都會更新tail的 * 而此時真正的尾節(jié)點其實是newNode了,所以tail不一定是真正的尾節(jié)點, * tail的更新具有滯后性,這樣設計提高了入隊的效率,不用每入隊一個,更新一次 *尾節(jié)點 */ 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)點代表已被遺棄刪除, * 那就是有線程在一直刪除節(jié)點,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)點的前面(因為此循環(huán)是從tail向后推移到哨兵節(jié)點的), * 而head節(jié)點一定在哨兵節(jié)點的后面(出隊時只有更新了head節(jié)點,才會把前面部分的某個節(jié)點置為哨兵節(jié)點) * 此時其實是一種tail在head之前,但實際上tail已經(jīng)無用了,哨兵之前的節(jié)點都無用了, * 等著其他線程入隊時更新尾節(jié)點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 * */ p = (t != (t = tail)) ? t : head; else /** * p.next和p不相等時,此時p應該向后推移到p.next,即p=p.next, * 如果next一直不為null一直定位不到尾節(jié)點,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; } }
四、出隊
poll出隊:
獲取到當前頭節(jié)點p=head:如果成功設置了item為null,即p.catItem(item,null),
如果此時被其他線程搶走消費了,此時需要p=p.next,向后繼續(xù)爭搶消費,直到成功執(zhí)行p.catItem(item,null),此時檢查p是不是head節(jié)點,如果不是更新p.next為頭結點
public E poll() { restartFromHead: for (;;) { // p節(jié)點表示首節(jié)點,即需要出隊的節(jié)點 for (Node<E> h = head, p = h, q;;) { E item = p.item; // 如果p節(jié)點的元素不為null,則通過CAS來設置p節(jié)點引用的元素為null,如果成功則返回p節(jié)點的元素 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)點的元素為空或頭節(jié)點發(fā)生了變化,這說明頭節(jié)點已經(jīng)被另外一個線程修改了。 // 那么獲取p節(jié)點的下一個節(jié)點,如果p節(jié)點的下一節(jié)點為null,則表明隊列已經(jīng)空了 else if ((q = p.next) == null) { // 更新頭結點 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)點的下一個節(jié)點設置成頭節(jié)點 else p = q; } } }
五、總結
offer:
找到尾節(jié)點,將新節(jié)點鏈入到尾節(jié)點后面,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的目標節(jié)點。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:
獲取到當前頭節(jié)點p=head:如果成功設置了item為null,即p.catItem(item,null),
如果此時被其他線程搶走消費了,此時需要p=p.next,向后繼續(xù)爭搶消費,直到成功執(zhí)行p.catItem(item,null),此時檢查p是不是head節(jié)點,如果不是更新頭結點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)點不總是最后一個,head節(jié)點不總是第一個設計初衷:
讓tail節(jié)點永遠作為隊列的尾節(jié)點,這樣實現(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就是每次都需要使用循環(huán)CAS更新tail節(jié)點。如果能減少CAS更新tail節(jié)點的次數(shù),就能提高入隊的效率。
在JDK 1.7的實現(xiàn)中,doug lea使用hops變量來控制并減少tail節(jié)點的更新頻率,并不是每次節(jié)點入隊后都將 tail節(jié)點更新成尾節(jié)點,而是當tail節(jié)點和尾節(jié)點的距離大于等于常量HOPS的值(默認等于1)時才更新tail節(jié)點,tail和尾節(jié)點的距離越長使用CAS更新tail節(jié)點的次數(shù)就會越少,但是距離越長帶來的負面效果就是每次入隊時定位尾節(jié)點的時間就越長,因為循環(huán)體需要多循環(huán)一次來定位出尾節(jié)點,但是這樣仍然能提高入隊的效率,因為從本質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遠大于讀操作,所以入隊效率會有所提升。
在JDK 1.8的實現(xiàn)中,tail的更新時機是通過p和t是否相等來判斷的,其實現(xiàn)結果和JDK 1.7相同,即當tail節(jié)點和尾節(jié)點的距離大于等于1時,更新tail。
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