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【后端开发】Java concurrency集合的详解

这篇文章主要介绍了Java concurrency集合之ConcurrentLinkedQueue,需要的朋友可以参考下

ConcurrentLinkedQueue介绍

ConcurrentLinkedQueue是线程安全的队列,它适用于“高并发”的场景。

它是一个基于链接节点的无界线程安全队列,按照 FIFO(先进先出)原则对元素进行排序。队列元素中不可以放置null元素(内部实现的特殊节点除外)。

ConcurrentLinkedQueue原理和数据结构

ConcurrentLinkedQueue的数据结构,如下图所示:

【后端开发】Java concurrency集合的详解

说明:

1. ConcurrentLinkedQueue继承于AbstractQueue。

2. ConcurrentLinkedQueue内部是通过链表来实现的。它同时包含链表的头节点head和尾节点tail。ConcurrentLinkedQueue按照 FIFO(先进先出)原则对元素进行排序。元素都是从尾部插入到链表,从头部开始返回。

3. ConcurrentLinkedQueue的链表Node中的next的类型是volatile,而且链表数据item的类型也是volatile。关于volatile,我们知道它的语义包含:“即对一个volatile变量的读,总是能看到(任意线程)对这个volatile变量最后的写入”。ConcurrentLinkedQueue就是通过volatile来实现多线程对竞争资源的互斥访问的。

ConcurrentLinkedQueue函数列表


// 创建一个最初为空的 ConcurrentLinkedQueue。ConcurrentLinkedQueue()// 创建一个最初包含给定 collection 元素的 ConcurrentLinkedQueue,按照此 collection 迭代器的遍历顺序来添加元素。ConcurrentLinkedQueue(Collection<? extends E> c)// 将指定元素插入此队列的尾部。boolean add(E e)// 如果此队列包含指定元素,则返回 true。boolean contains(Object o)// 如果此队列不包含任何元素,则返回 true。boolean isEmpty()// 返回在此队列元素上以恰当顺序进行迭代的迭代器。Iterator<E> iterator()// 将指定元素插入此队列的尾部。boolean offer(E e)// 获取但不移除此队列的头;如果此队列为空,则返回 null。E peek()// 获取并移除此队列的头,如果此队列为空,则返回 null。E poll()// 从队列中移除指定元素的单个实例(如果存在)。boolean remove(Object o)// 返回此队列中的元素数量。int size()// 返回以恰当顺序包含此队列所有元素的数组。Object[] toArray()// 返回以恰当顺序包含此队列所有元素的数组;返回数组的运行时类型是指定数组的运行时类型。<T> T[] toArray(T[] a)

下面从ConcurrentLinkedQueue的创建,添加,删除这几个方面对它进行分析。

1 创建

下面以ConcurrentLinkedQueue()来进行说明。


public ConcurrentLinkedQueue() { head = tail = new Node<E>(null);}

说明:在构造函数中,新建了一个“内容为null的节点”,并设置表头head和表尾tail的值为新节点。

head和tail的定义如下:


private transient volatile Node<E> head;private transient volatile Node<E> tail;

head和tail都是volatile类型,他们具有volatile赋予的含义:“即对一个volatile变量的读,总是能看到(任意线程)对这个volatile变量最后的写入”。

Node的声明如下:


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); } }}

说明:

Node是个单向链表节点,next用于指向下一个Node,item用于存储数据。Node中操作节点数据的API,都是通过Unsafe机制的CAS函数实现的;例如casNext()是通过CAS函数“比较并设置节点的下一个节点”。

2. 添加

下面以add(E e)为例对ConcurrentLinkedQueue中的添加进行说明。


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

说明:add()实际上是调用的offer()来完成添加操作的。

offer()的源码如下:


public boolean offer(E e) { // 检查e是不是null,是的话抛出NullPointerException异常。 checkNotNull(e); // 创建新的节点 final Node<E> newNode = new Node<E>(e); // 将“新的节点”添加到链表的末尾。 for (Node<E> t = tail, p = t;;) { Node<E> q = p.next; // 情况1:q为空 if (q == null) {  // CAS操作:如果“p的下一个节点为null”(即p为尾节点),则设置p的下一个节点为newNode。  // 如果该CAS操作成功的话,则比较“p和t”(若p不等于t,则设置newNode为新的尾节点),然后返回true。  // 如果该CAS操作失败,这意味着“其它线程对尾节点进行了修改”,则重新循环。  if (p.casNext(null, newNode)) {  if (p != t) // hop two nodes at a time   casTail(t, newNode); // Failure is OK.  return true;  } } // 情况2:p和q相等 else if (p == q)  p = (t != (t = tail)) ? t : head; // 情况3:其它 else  p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q; }}

说明:offer(E e)的作用就是将元素e添加到链表的末尾。offer()比较的地方是理解for循环,下面区分3种情况对for进行分析。

情况1 -- q为空。这意味着q是尾节点的下一个节点。此时,通过p.casNext(null, newNode)将“p的下一个节点设为newNode”,若设置成功的话,则比较“p和t”(若p不等于t,则设置newNode为新的尾节点),然后返回true。否则的话(意味着“其它线程对尾节点进行了修改”),什么也不做,继续进行for循环。

p.casNext(null, newNode),是调用CAS对p进行操作。若“p的下一个节点等于null”,则设置“p的下一个节点等于newNode”;设置成功的话,返回true,失败的话返回false。

情况2 -- p和q相等。这种情况什么时候会发生呢?通过“情况3”,我们知道,经过“情况3”的处理后,p的值可能等于q。

此时,若尾节点没有发生变化的话,那么,应该是头节点发生了变化,则设置p为头节点,然后重新遍历链表;否则(尾节点变化的话),则设置p为尾节点。

情况3 -- 其它。

我们将p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q;转换成如下代码。


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,则设置p为q。否则的话,判断“尾节点是否发生变化”,没有变化的话,则设置p为q;否则,设置p为尾节点。

checkNotNull()的源码如下:


private static void checkNotNull(Object v) { if (v == null) throw new NullPointerException();}

3. 删除

下面以poll()为例对ConcurrentLinkedQueue中的删除进行说明。


public E poll() { // 设置“标记” restartFromHead: for (;;) { for (Node<E> h = head, p = h, q;;) {  E item = p.item;  // 情况1  // 表头的数据不为null,并且“设置表头的数据为null”这个操作成功的话;  // 则比较“p和h”(若p!=h,即表头发生了变化,则更新表头,即设置表头为p),然后返回原表头的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;  }  // 情况2  // 表头的下一个节点为null,即链表只有一个“内容为null的表头节点”。则更新表头为p,并返回null。  else if ((q = p.next) == null) {  updateHead(h, p);  return null;  }  // 情况3  // 这可能到由于“情况4”的发生导致p=q,在该情况下跳转到restartFromHead标记重新操作。  else if (p == q)  continue restartFromHead;  // 情况4  // 设置p为q  else  p = q; } }}

说明:poll()的作用就是删除链表的表头节点,并返回被删节点对应的值。poll()的实现原理和offer()比较类似,下面根将or循环划分为4种情况进行分析。

情况1:“表头节点的数据”不为null,并且“设置表头节点的数据为null”这个操作成功。

p.casItem(item, null) -- 调用CAS函数,比较“节点p的数据值”与item是否相等,是的话,设置节点p的数据值为null。

在情况1发生时,先比较“p和h”,若p!=h,即表头发生了变化,则调用updateHead()更新表头;然后返回删除节点的item值。

updateHead()的源码如下:


final void updateHead(Node<E> h, Node<E> p) { if (h != p && casHead(h, p)) h.lazySetNext(h);}

说明:updateHead()的最终目的是更新表头为p,并设置h的下一个节点为h本身。

casHead(h,p)是通过CAS函数设置表头,若表头等于h的话,则设置表头为p。

lazySetNext()的源码如下:


void lazySetNext(Node<E> val) { UNSAFE.putOrderedObject(this, nextOffset, val);}

putOrderedObject()函数,我们在前面一章“TODO”中介绍过。h.lazySetNext(h)的作用是通过CAS函数设置h的下一个节点为h自身,该设置可能会延迟执行。

情况2:如果表头的下一个节点为null,即链表只有一个“内容为null的表头节点”。

则调用updateHead(h, p),将表头更新p;然后返回null。

情况3:p=q

在“情况4”的发生后,会导致p=q;此时,“情况3”就会发生。当“情况3”发生后,它会跳转到restartFromHead标记重新操作。

情况4:其它情况。

设置p=q。

ConcurrentLinkedQueue示例


import java.util.*; import java.util.concurrent.*; /* * ConcurrentLinkedQueue是“线程安全”的队列,而LinkedList是非线程安全的。 * * 下面是“多个线程同时操作并且遍历queue”的示例 * (01) 当queue是ConcurrentLinkedQueue对象时,程序能正常运行。 * (02) 当queue是LinkedList对象时,程序会产生ConcurrentModificationException异常。 * * */ public class ConcurrentLinkedQueueDemo1 { // TODO: queue是LinkedList对象时,程序会出错。 //private static Queue<String> queue = new LinkedList<String>(); private static Queue<String> queue = new ConcurrentLinkedQueue<String>(); public static void main(String[] args) {  // 同时启动两个线程对queue进行操作!  new MyThread("ta").start();  new MyThread("tb").start(); } private static void printAll() {  String value;  Iterator iter = queue.iterator();  while(iter.hasNext()) {  value = (String)iter.next();  System.out.print(value+", ");  }  System.out.println(); } private static class MyThread extends Thread {  MyThread(String name) {  super(name);  }  @Override  public void run() {   int i = 0;  while (i++ < 6) {   // “线程名” + "-" + "序号"   String val = Thread.currentThread().getName()+i;   queue.add(val);   // 通过“Iterator”遍历queue。   printAll();  }  } } }

(某一次)运行结果:


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,

结果说明:如果将源码中的queue改成LinkedList对象时,程序会产生ConcurrentModificationException异常。

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