深入浅出：ConcurrentLinkedQueue源码分析与实战

喵手2023-10-26 16:24

哈喽，各位小伙伴们，你们好呀，我是喵手。

今天我要给大家分享一些自己日常学习到的一些知识点，并以文字的形式跟大家一起交流，互相学习，一个人虽可以走的更快，但一群人可以走的更远。

我是一名后端开发爱好者，工作日常接触到最多的就是Java语言啦，所以我都尽量抽业余时间把自己所学到所会的，通过文章的形式进行输出，希望以这种方式帮助到更多的初学者或者想入门的小伙伴们，同时也能对自己的技术进行沉淀，加以复盘，查缺补漏。

小伙伴们在批阅的过程中，如果觉得文章不错，欢迎点赞、收藏、关注哦。三连即是对作者我写作道路上最好的鼓励与支持！

如下是Java集合体系架构图，近期几期内容都是围绕该体系进行知识讲解，以便于同学们学习Java集合篇知识能够系统化而不零散。

前言

在多线程编程中，由于线程之间的竞争，导致多线程访问数据时容易出现数据不一致的问题，为了解决这个问题，Java提供了一些线程安全的数据结构，其中之一就是ConcurrentLinkedQueue，它是一个非阻塞的线程安全队列。

摘要

本文主要介绍ConcurrentLinkedQueue的源代码解析、应用场景案例、优缺点分析、类代码方法介绍以及测试用例。

ConcurrentLinkedQueue

简介

ConcurrentLinkedQueue是一个线程安全的队列，它的特点是非阻塞，也就是说当队列为空时，出队操作不会阻塞线程，而是立即返回null。同时，它也不允许插入null元素。

ConcurrentLinkedQueue是一个基于链接节点的无界线程安全队列。它采用了先进先出的原则，对于并发访问，它采取了一种无锁算法（lock-free），实现了高效率的并发操作。它通过CAS操作实现了"原子操作"，保证了线程安全。

源代码解析

ConcurrentLinkedQueue的源代码中，最重要的是Node类和head、tail两个节点。每个节点代表队列中的一个元素，节点中除了存储元素外，还包含了指向下一个节点的指针。

java 复制代码 
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);
    }

    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);
        }
    }
}

在队列中head和tail是两个Node节点，其中head代表队列中最先入队的元素，tail代表队列中最后入队的元素。head和tail节点中的next指针指向队列中的下一个元素，通过这样的方式将整个队列串起来，实现了队列的操作。

java 复制代码 
public class ConcurrentLinkedQueue<E> extends AbstractQueue<E>
        implements Queue<E>, java.io.Serializable {
    private transient volatile Node<E> head;
    private transient volatile Node<E> tail;

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

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

    private void updateTail(Node<E> t, Node<E> p) {
        if (t != p && casTail(t, p))
            t.lazySetNext(p);
    }

    boolean casHead(Node<E> cmp, Node<E> val) {
        return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, headOffset, cmp, val);
    }

    boolean casTail(Node<E> cmp, Node<E> val) {
        return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, tailOffset, cmp, val);
    }

    private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
    private static final long headOffset;
    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);
        }
    }
}

应用场景案例

ConcurrentLinkedQueue的应用场景很广泛，它可以作为多线程环境下的任务队列，也可以作为消息队列、日志队列等。下面以一个简单的任务队列为例进行说明。

java 复制代码 
public class TaskQueue {
    private ConcurrentLinkedQueue<Task> queue;

    public TaskQueue() {
        queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();
    }

    public void addTask(Task task) {
        queue.offer(task);
    }

    public void executeTasks() {
        if (queue.isEmpty()) {
            return;
        }
        Task task = null;
        while ((task = queue.poll()) != null) {
            task.execute();
        }
    }
}

在上述代码中，我们定义了一个TaskQueue类，它包含了一个ConcurrentLinkedQueue对象，用于存储任务。addTask()方法用于向队列中添加任务，executeTasks()方法用于执行队列中的任务。当队列为空时，直接返回。否则，使用poll()方法从队列中取出一个任务执行，直到队列中的任务全部被执行完成。

优缺点分析

优点

  • 高并发性：ConcurrentLinkedQueue的实现采用了无锁算法，相比于同步队列的加锁操作，它在高并发场景下的性能更优；
  • 无阻塞：当队列为空时，出队操作不会阻塞线程，而是立即返回null；
  • 线程安全：ConcurrentLinkedQueue是线程安全的，不需要我们手动进行同步。

缺点

  • 不支持随机访问：由于ConcurrentLinkedQueue是基于链表实现的，所以它不支持随机访问操作，只能从队头或队尾进行插入、删除和访问操作。如果应用场景中需要随机访问，建议使用其他数据结构；
  • 不支持元素排序：ConcurrentLinkedQueue是一个队列，它不支持对元素进行排序。如果应用场景中需要对元素排序，建议使用其他数据结构。

类代码方法介绍

offer(E e)

插入指定元素作为此队列的末尾（最后一个元素）。如果队列为空，则插入位于队头（第一个元素）。

java 复制代码 
public boolean offer(E e) {
    checkNotNull(e);
    final Node<E> newNode = new Node<E>(e);
    for (Node<E> t = tail, p = t;;) {
        Node<E> q = p.next;
        if (q == null) {
            if (p.casNext(null, newNode)) {
                if (p != t)
                    casTail(t, newNode);  // Failure is OK.
                return true;
            }
        } else if (p == q)
            p = (t != (t = tail)) ? t : head;
        else
            p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q;
    }
}

poll()

获取并移除此队列的头。

java 复制代码 
public E poll() {
    restartFromHead:
    for (;;) {
        for (Node<E> h = head, p = h, q;;) {
            E item = p.item;

            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;
            }
            else if ((q = p.next) == null) {
                updateHead(h, p);
                return null;
            }
            else if (p == q)
                continue restartFromHead;
            else
                p = q;
        }
    }
}

size()

返回队列中的元素数量。

java 复制代码 
public int size() {
    int count = 0;
    for (Node<E> p = first(); p != null; p = succ(p))
        if (p.item != null)
            ++count;
    return count;
}

isEmpty()

判断队列是否为空。

java 复制代码 
public boolean isEmpty() {
    return first() == null;
}

contains(Object o)

判断队列中是否包含指定元素。

java 复制代码 
public boolean contains(Object o) {
    if (o == null) return false;
    for (Node<E> p = first(); p != null; p = succ(p)) {
        E item = p.item;
        if (item != null && o.equals(item))
            return true;
    }
    return false;
}

add(E e)

插入指定元素作为此队列的末尾。与offer()方法相同。

java 复制代码 
public boolean add(E e) {
    return offer(e);
}

remove()

获取并移除此队列的头。与poll()方法相同。

java 复制代码 
public E remove() {
    E x = poll();
    if (x != null)
        return x;
    else
        throw new NoSuchElementException();
}

element()

获取但不移除此队列的头。与peek()方法相同。

java 复制代码 
public E element() {
    E x = peek();
    if (x != null)
        return x;
    else
        throw new NoSuchElementException();
}

测试用例

我们可以编写如下测试用例来验证ConcurrentLinkedQueue的正确性。

测试代码

下面是一个简单的示例代码，使用了ConcurrentLinkedQueue创建了一个线程安全的队列，并对其进行了读写测试：

java 复制代码 
package com.example.javase.collection;

import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;

/**
 * @Author ms
 * @Date 2023-10-22 18:57
 */
public class ConcurrentLinkedQueueTest {
    public static void main(String[] args) {
        ConcurrentLinkedQueue<String> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();

        // 添加元素
        queue.offer("Java");
        queue.offer("Python");
        queue.offer("C++");

        // 输出队列元素
        System.out.println("Queue elements: " + queue);

        // 获取并移除队列头部元素
        String headElement = queue.poll();
        System.out.println("Head element: " + headElement);

        // 输出队列元素
        System.out.println("Queue elements after polling: " + queue);

        // 获取队列头部元素
        String peekElement = queue.peek();
        System.out.println("Peek element: " + peekElement);

        // 输出队列元素
        System.out.println("Queue elements after peeking: " + queue);
    }
}

期望输出结果如下：

java 复制代码 
Queue elements: [Java, Python, C++]
Head element: Java
Queue elements after polling: [Python, C++]
Peek element: Python
Queue elements after peeking: [Python, C++]

接下来我们可以在本地执行一下这个测试用例，以作为检验是否能够将其预期结果正确输出。

测试结果

根据如上测试用例，本地测试结果如下，仅供参考，你们也可以自行修改测试用例或者添加更多的测试数据或测试方法，进行熟练学习以此加深理解。

如上测试用例执行后，经肉眼验证与预期结果是一致！

测试代码分析

根据如上测试用例，在此我给大家进行深入详细的解读一下测试代码，以便于更多的同学能够理解并加深印象。   如上代码是一个使用ConcurrentLinkedQueue实现的队列的示例代码。ConcurrentLinkedQueue是一个线程安全的无界队列，它采用了无锁算法来实现高效的并发操作。在该示例中，首先创建了一个ConcurrentLinkedQueue对象，并通过调用offer()方法向队列中添加了3个元素。然后，分别演示了poll()方法和peek()方法的使用，它们分别用于获取并移除队列头部元素和获取队列头部元素，最终输出了操作后的队列元素。

小结

ConcurrentLinkedQueue是一个线程安全的队列，它采用了先进先出的原则，对于并发访问，它采取了一种无锁算法（lock-free），实现了高效率的并发操作。它通过CAS操作实现了"原子操作"，保证了线程安全。

ConcurrentLinkedQueue的应用场景很广泛，它可以作为多线程环境下的任务队列，也可以作为消息队列、日志队列等。

总结

  1. ConcurrentLinkedQueue是一个基于链接节点的无界线程安全队列；

  2. 支持先进先出原则，采用无锁算法实现高效的并发操作；

  3. 不支持随机访问和元素排序；

  4. 适用于多线程环境下的任务队列、消息队列等；

  5. 具有高并发性、无阻塞、线程安全等优点。

... ...

文末

好啦，以上就是我这期的全部内容，如果有任何疑问，欢迎下方留言哦，咱们下期见。

... ...

学习不分先后，知识不分多少；事无巨细，当以虚心求教；三人行，必有我师焉！！！

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