JAVA多线程之——ConcurrentLinkedQueue
2017-04-04 18:17
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ConcurrentLinkedQueue
ConcurrentLinkedQueue是一个非阻塞的无界队列。非阻塞和阻塞区别。首先了解一下JAVA中多线程的同步机制基本采用三种方式:volatile 轻量级的线程同步,不会引起上下文的切换和线程调度,提供内存的可见性,但不保证原子性。
CAS 轻量级的线程同步,不会引起上下文的切换和线程调度,提供内存的可见性和原子性。
内部锁(synchronized)和显示锁 重量级的线程同步,可能会引起上下文的切换和下城调度,提供内存的可见性和原子性。
非阻塞算法
一个线程的失败和挂起不会引起其他些线程的失败和挂起,这样的算法称为非阻塞算法。非阻塞算法通过使用底层机器级别的原子指令来取代锁,从而保证数据在并发访问下的一致性。
ConcurrentLinkedQueue就是采用CAS为基础来实现非阻塞算法。但是非阻塞算法的设计和实现都非常复杂,这里只能够大致学习以及分析一下ConcurrentLinkedQueue的一个实现思路。
我们都知道链表是基于节点实现,所以先学习一下ConcurrentLinkedQueue中的节点:
Node
private static class Node<E> { volatile E item; //节点的域值 volatile Node<E> next; //当前节点的下一个节点 Node(E item) { UNSAFE.putObject(this, itemOffset, item); //创建新节点。初始化其域值 } boolean casItem(E cmp, E val) {//用 CAS 指令设置 item 域的值 return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, itemOffset, cmp, val); } void lazySetNext(Node<E> val) {//惰性设置 next 域的值 UNSAFE.putOrderedObject(this, nextOffset, val); } boolean casNext(Node<E> cmp, Node<E> val) {//CAS 设置 next 域的值 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); } } }
了解节点后,先来看一下ConcurrentLinkedQueue的一些基本属性定义
private transient volatile Node<E> head; private transient volatile Node<E> tail; public ConcurrentLinkedQueue() { head = tail = new Node<E>(null); }
队列有一个head节点,tail节点,在初始化一个队列的时候,head节点和tail节点都是指向一个域值为空的节点。
offer方法
public boolean offer(E e) { checkNotNull(e);//检查元素是否为空。空则抛出NullPointerException final Node<E> newNode = new Node<E>(e);//创建一个新节点 for (Node<E> t = tail, p = t;;) {//死循环。定义两个节点,一个节点指向tail,一个节点指向t Node<E> q = p.next; if (q == null) { //说明p是最后一个节点。 if (p.casNext(null, newNode)) { //CAS操作把新节点插入到p节点后 if (p != t)//每插入两个节点更新一次tail casTail(t, newNode); // 允许失败 return true; } //CAS失败,说明有其它线程已经插入,进行下一次循环 } else if (p == q) // 遍历到的p节点已删除, // 如果实际tail为当前局部变量tail,说明tail已在head前,需要跳到head进入正常遍历; // 否则,有其他线程维护过tail,从tail开始 p = (t != (t = tail)) ? t : head; else // 每隔两个节点更新局部变量t,向前推进 p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q; } }
上面代码初次理解可能会比较困难。关键在于理解tail的位置,它不一定是指向最后一个节点的。tail有三种情况,第一种指向尾节点。一种指向尾节点的前一个节点。还有一种就是指向了一个已经删除的节点(p==q)一个节点的下一个节点指向自己,就是说明它已经从链表中断开了。
这三种情况对应着上面的三个判断情况。
poll
public E poll() { restartFromHead: for (;;) { for (Node<E> h = head, p = h, q;;) { E item = p.item; if (item != null && p.casItem(item, null)) { // CAS null成功,则说明p已从队列中删除 if (p != h) //// 每删除两个节点维护一次head updateHead(h, ((q = p.next) != null) ? q : p); return item; } else if ((q = p.next) == null) { updateHead(h, p); return null; } else if (p == q)// p为已删除节点,且已经off-list,重新开始 continue restartFromHead; else p = q; } } }
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