【JUC】JDK1.8源码分析之ConcurrentLinkedQueue(五)

一、前言

  接着前面的分析,接下来分析ConcurrentLinkedQueue,ConcurerntLinkedQueue一个基于链接节点的无界线程安全队列。此队列按照 FIFO(先进先出)原则对元素进行排序。队列的头部是队列中时间最长的元素。队列的尾部 是队列中时间最短的元素。新的元素插入到队列的尾部,队列获取操作从队列头部获得元素。当多个线程共享访问一个公共 collection 时,ConcurrentLinkedQueue是一个恰当的选择。此队列不允许使用null元素。

二、ConcurrentLinkedQueue数据结构

  通过源码分析可知,ConcurrentLinkedQueue的数据结构与LinkedBlockingQueue的数据结构相同,都是使用的链表结构。ConcurrentLinkedQueue的数据结构如下

  说明:ConcurrentLinkedQueue采用的链表结构,并且包含有一个头结点和一个尾结点。

三、ConcurrentLinkedQueue源码分析

  3.1 类的继承关系

public class ConcurrentLinkedQueue<E> extends AbstractQueue<E>implements Queue<E>, java.io.Serializable {}

  说明:ConcurrentLinkedQueue继承了抽象类AbstractQueue,AbstractQueue定义了对队列的基本操作;同时实现了Queue接口,Queue定义了对队列的基本操作,同时,还实现了Serializable接口,表示可以被序列化。

  3.2 类的内部类 

    private static class Node<E> {// 元素volatile E item;// next域volatile Node<E> next;/*** Constructs a new node.  Uses relaxed write because item can* only be seen after publication via casNext.*/// 构造函数
        Node(E item) {// 设置item的值UNSAFE.putObject(this, itemOffset, item);}// 比较并替换item值boolean casItem(E cmp, E val) {return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, itemOffset, cmp, val);}void lazySetNext(Node<E> val) {// 设置next域的值,并不会保证修改对其他线程立即可见UNSAFE.putOrderedObject(this, nextOffset, val);}// 比较并替换next域的值boolean casNext(Node<E> cmp, Node<E> val) {return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, nextOffset, cmp, val);}// Unsafe mechanics// 反射机制private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;// item域的偏移量private static final long itemOffset;// next域的偏移量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);}}}
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  说明:Node类表示链表结点,用于存放元素,包含item域和next域,item域表示元素,next域表示下一个结点,其利用反射机制和CAS机制来更新item域和next域,保证原子性。

  3.3 类的属性  

public class ConcurrentLinkedQueue<E> extends AbstractQueue<E>implements Queue<E>, java.io.Serializable {// 版本序列号        private static final long serialVersionUID = 196745693267521676L;// 反射机制private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;// head域的偏移量private static final long headOffset;// tail域的偏移量private static final long tailOffset;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);}}// 头结点private transient volatile Node<E> head;// 尾结点private transient volatile Node<E> tail;
}
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  说明:属性中包含了head域和tail域,表示链表的头结点和尾结点,同时,ConcurrentLinkedQueue也使用了反射机制和CAS机制来更新头结点和尾结点,保证原子性。

  3.4 类的构造函数

  1. ConcurrentLinkedQueue()型构造函数  

    public ConcurrentLinkedQueue() {// 初始化头结点与尾结点head = tail = new Node<E>(null);}
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  说明:该构造函数用于创建一个最初为空的 ConcurrentLinkedQueue,头结点与尾结点指向同一个结点,该结点的item域为null,next域也为null。

  2. ConcurrentLinkedQueue(Collection<? extends E>)型构造函数  

    public ConcurrentLinkedQueue(Collection<? extends E> c) {Node<E> h = null, t = null;for (E e : c) { // 遍历c集合// 保证元素不为空
            checkNotNull(e);// 新生一个结点Node<E> newNode = new Node<E>(e);if (h == null) // 头结点为null// 赋值头结点与尾结点h = t = newNode;else {// 直接头结点的next域
                t.lazySetNext(newNode);// 重新赋值头结点t = newNode;}}if (h == null) // 头结点为null// 新生头结点与尾结点h = t = new Node<E>(null);// 赋值头结点head = h;// 赋值尾结点tail = t;}
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  说明:该构造函数用于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。

  3.5 核心函数分析

  1. offer函数  

    public boolean offer(E e) {// 元素不为null
        checkNotNull(e);// 新生一个结点final Node<E> newNode = new Node<E>(e);for (Node<E> t = tail, p = t;;) { // 无限循环// q为p结点的下一个结点Node<E> q = p.next;if (q == null) { // q结点为null// p is last nodeif (p.casNext(null, newNode)) { // 比较并进行替换p结点的next域// Successful CAS is the linearization point// for e to become an element of this queue,// and for newNode to become "live".if (p != t) // p不等于t结点,不一致    // hop two nodes at a time// 比较并替换尾结点casTail(t, newNode);  // Failure is OK.// 返回return true;}// Lost CAS race to another thread; re-read next
            }else if (p == q) // p结点等于q结点// We have fallen off list.  If tail is unchanged, it// will also be off-list, in which case we need to// jump to head, from which all live nodes are always// reachable.  Else the new tail is a better bet.// 原来的尾结点与现在的尾结点是否相等,若相等,则p赋值为head,否则,赋值为现在的尾结点p = (t != (t = tail)) ? t : head;else// Check for tail updates after two hops.// 重新赋值p结点p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q;}}
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  说明:offer函数用于将指定元素插入此队列的尾部。下面模拟offer函数的操作,队列状态的变化(假设单线程添加元素,连续添加10、20两个元素)。

  ① 若ConcurrentLinkedQueue的初始状态如上图所示,即队列为空。单线程添加元素,此时,添加元素10,则状态如下所示

  ② 如上图所示,添加元素10后,tail没有变化,还是指向之前的结点,继续添加元素20,则状态如下所示

  ③ 如上图所示,添加元素20后,tail指向了最新添加的结点。

  2. poll函数  

    public E poll() {restartFromHead:for (;;) { // 无限循环for (Node<E> h = head, p = h, q;;) { // 保存头结点// item项E item = p.item;if (item != null && p.casItem(item, null)) { // item不为null并且比较并替换item成功// Successful CAS is the linearization point// for item to be removed from this queue.if (p != h) // p不等于h    // hop two nodes at a time// 更新头结点updateHead(h, ((q = p.next) != null) ? q : p); // 返回itemreturn item;}else if ((q = p.next) == null) { // q结点为null// 更新头结点
                    updateHead(h, p);return null;}else if (p == q) // p等于q// 继续循环continue restartFromHead;else// p赋值为qp = q;}}}
View Code

  说明:此函数用于获取并移除此队列的头,如果此队列为空,则返回null。下面模拟poll函数的操作,队列状态的变化(假设单线程操作,状态为之前offer10、20后的状态,poll两次)。

  ① 队列初始状态如上图所示,在poll操作后,队列的状态如下图所示

  ② 如上图可知,poll操作后,head改变了,并且head所指向的结点的item变为了null。再进行一次poll操作,队列的状态如下图所示。

  ③ 如上图可知,poll操作后,head结点没有变化,只是指示的结点的item域变成了null。

  3. remove函数  

    public boolean remove(Object o) {// 元素为null,返回if (o == null) return false;Node<E> pred = null;for (Node<E> p = first(); p != null; p = succ(p)) { // 获取第一个存活的结点// 第一个存活结点的item值E item = p.item;if (item != null &&o.equals(item) &&p.casItem(item, null)) { // 找到item相等的结点,并且将该结点的item设置为null// p的后继结点Node<E> next = succ(p);if (pred != null && next != null) // pred不为null并且next不为null// 比较并替换next域
                    pred.casNext(p, next);return true;}// pred赋值为ppred = p;}return false;}
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  说明:此函数用于从队列中移除指定元素的单个实例(如果存在)。其中,会调用到first函数和succ函数,first函数的源码如下  

    Node<E> first() {restartFromHead:for (;;) { // 无限循环,确保成功for (Node<E> h = head, p = h, q;;) {// p结点的item域是否为nullboolean hasItem = (p.item != null);if (hasItem || (q = p.next) == null) { // item不为null或者next域为null// 更新头结点
                    updateHead(h, p);// 返回结点return hasItem ? p : null;}else if (p == q) // p等于q// 继续从头结点开始continue restartFromHead;else// p赋值为qp = q;}}}
View Code

  说明:first函数用于找到链表中第一个存活的结点。succ函数源码如下  

    final Node<E> succ(Node<E> p) {// p结点的next域Node<E> next = p.next;// 如果next域为自身,则返回头结点,否则,返回nextreturn (p == next) ? head : next;}
View Code

  说明:succ用于获取结点的下一个结点。如果结点的next域指向自身,则返回head头结点,否则,返回next结点。下面模拟remove函数的操作,队列状态的变化(假设单线程操作,状态为之前offer10、20后的状态,执行remove(10)、remove(20)操作)。

  ① 如上图所示,为ConcurrentLinkedQueue的初始状态,remove(10)后的状态如下图所示

  ② 如上图所示,当执行remove(10)后,head指向了head结点之前指向的结点的下一个结点,并且head结点的item域置为null。继续执行remove(20),状态如下图所示

  ③ 如上图所示,执行remove(20)后,head与tail指向同一个结点,item域为null。

  4. size函数  

    public int size() {// 计数int count = 0;for (Node<E> p = first(); p != null; p = succ(p)) // 从第一个存活的结点开始往后遍历if (p.item != null) // 结点的item域不为null// Collection.size() spec says to max outif (++count == Integer.MAX_VALUE) // 增加计数,若达到最大值,则跳出循环break;// 返回大小return count;}
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  说明:此函数用于返回ConcurrenLinkedQueue的大小,从第一个存活的结点(first)开始,往后遍历链表,当结点的item域不为null时,增加计数,之后返回大小。

五、示例

  下面通过一个示例来了解ConcurrentLinkedQueue的使用  

package com.hust.grid.leesf.collections;import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;class PutThread extends Thread {private ConcurrentLinkedQueue<Integer> clq;public PutThread(ConcurrentLinkedQueue<Integer> clq) {this.clq = clq;}public void run() {for (int i = 0; i < 10; i++) {try {System.out.println("add " + i);clq.add(i);Thread.sleep(100);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}
}class GetThread extends Thread {private ConcurrentLinkedQueue<Integer> clq;public GetThread(ConcurrentLinkedQueue<Integer> clq) {this.clq = clq;}public void run() {for (int i = 0; i < 10; i++) {try {System.out.println("poll " + clq.poll());Thread.sleep(100);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}
}public class ConcurrentLinkedQueueDemo {public static void main(String[] args) {ConcurrentLinkedQueue<Integer> clq = new ConcurrentLinkedQueue<Integer>();PutThread p1 = new PutThread(clq);GetThread g1 = new GetThread(clq);p1.start();g1.start();}
}
View Code

  运行结果(某一次):  

add 0
poll null
add 1
poll 0
add 2
poll 1
add 3
poll 2
add 4
poll 3
add 5
poll 4
poll 5
add 6
add 7
poll 6
poll 7
add 8
add 9
poll 8
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  说明:GetThread线程不会因为ConcurrentLinkedQueue队列为空而等待,而是直接返回null,所以当实现队列不空时,等待时,则需要用户自己实现等待逻辑。

六、总结

  ConcurrentLinkedQueue的源码也相对简单,其实对于并发集合而言,分析源码时首先理解单线程情况,然后再考虑在多线程并发时的情况,这样会使得分析源码容易得多,ConcurrentLinkedQueue和LinkedBlockingQueue的区别还是很明显的(前者在取元素时,若队列为空,则返回null;后者会进行等待)。谢谢各位园友的观看~

转载于:https://www.cnblogs.com/leesf456/p/5539142.html

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