Java 入门指南：Java 并发编程 —— 并发容器 ConcurrentLinkedQueue

文章目录

- ConcurrentLinkedQueue
- - 实现原理
  - - 内部节点
  - 特点
  - 常用方法
  - 构造方法
  - 延迟更新策略
  - 使用场景
  - [ConcurrentLinkedQueue 使用示例](#ConcurrentLinkedQueue 使用示例)
  - 注意事项

ConcurrentLinkedQueue

ConcurrentLinkedQueue 是Java中的一个并发队列实现，是一个基于链接节点（链表）的无界的线程安全非阻塞队列，适用于多线程环境下的并发访问，即多个线程访问同一个 collection 的场景。

ConcurrentLinkedQueue 采用了无锁（lock-free）的算法实现，并且基于链表数据结构。它支持高效的并发插入和删除操作，以及无界的队列长度。

java 复制代码

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

ConcurrentLinkedQueue 继承了抽象类 AbstractQueue，实现了Queue 接口、Serializable 接口，表示其可以被序列化。

实现原理

ConcurrentLinkedQueue 是基于链表实现的，每个链表节点包含数据域 （item）和指针域 （next）。其中，item 用于存储数据，next 指向下一个节点。节点的 item 和 next 属性都是用 volatile 修饰的，保证了其可见性。

内部节点

ConcurrentLinkedQueue 内部类 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，其利用了反射机制和CAS机制来更新 item域和 next域，保证原子性。

ConcurrentLinkedQueue 内部类 Node 的源代码

特点

非阻塞算法 ：ConcurrentLinkedQueue 使用非阻塞算法实现，它允许多个线程同时进行插入和删除操作，而不会发生死锁或线程阻塞 。使用了反射机制和CAS机制来更新头节点和尾结点，保证原子性
无界队列 ：ConcurrentLinkedQueue 没有固定的容量限制，可以根据需要动态扩容 ，由于没有容量限制，所以插入操作永远不会被阻塞。
FIFO 排序 ：ConcurrentLinkedQueue 使用先进先出（FIFO）的行为模式，保证先插入的元素会先进行取出操作。

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。
线程安全 ：ConcurrentLinkedQueue 是线程安全的，多个线程可以同时进行插入和删除操作而不需要额外的同步措施。
支持高并发 ：ConcurrentLinkedQueue 在高并发环境下表现优异，可以有效处理多线程同时对队列进行操作的情况，使用 CAS（Compare And Swap）操作来保证线程的安全性。
不支持阻塞操作 ：ConcurrentLinkedQueue 不支持阻塞操作 ，如果队列为空时调用 poll() 方法将返回 null 而不是阻塞等待。
迭代器弱一致性 ：由于 ConcurrentLinkedQueue 是并发数据结构，其迭代器的遍历顺序可能不一致或发生变化。因此在迭代时需要注意，并尽量避免修改队列。
ConcurrentLinkedQueue 不允许插入 null 元素

常用方法

ConcurrentLinkedQueue 类提供了一系列方法用于操作并发链表队列。以下是常用的方法：

add(E e)：将指定元素添加到队列的尾部，如果队列已满，则抛出IllegalStateException 异常。
offer(E e)：将指定元素添加到队列的尾部，并返回是否成功。如果队列已满，返回 false。
poll()：移除并返回队列头部的元素，如果队列为空，则返回null。
remove()：移除并返回队列头部的元素，如果队列为空，则抛出NoSuchElementException 异常。

remove() 是基于 Iterator 实现 的，如果在迭代期间使用 remove() 来删除元素，则可能导致元素遗漏或重复删除的问题。

通常情况下，建议使用 poll() 或 take() 方法来安全地获取队列元素并保证程序的稳定性。
peek()：返回队列头部的元素，如果队列为空，则返回null。
element()：返回队列头部的元素，如果队列为空，则抛出NoSuchElementException 异常。
size()：返回队列中的元素个数。
isEmpty()：判断队列是否为空。
contains(Object o)：判断队列是否包含指定元素。
toArray()：返回包含队列所有元素的数组。
clear()：清空队列，将队列置为空。

构造方法

创建一个空的 ConcurrentLinkedQueue。

java 复制代码

public ConcurrentLinkedQueue() {
    // 初始化头节点与尾结点
    head = tail = new Node<E>(null);
}

创建一个包含指定集合元素的 ConcurrentLinkedQueue，按照集合的迭代顺序进行插入。

java 复制代码

ConcurrentLinkedQueue(Collection<? extends E> collection)

延迟更新策略

如果让 tail 永远作为队列的队尾节点，大量的入队操作会导致每次都要执行 CAS 进行 tail 的更新，十分损耗性能。为优化性能，使用了延迟更新策略。

在更新操作时，源码中会有注释为：hop two nodes at a time ，每间隔 1 次（tail 和队尾节点的距离为 1）进行才利用 CAS 更新 tail。对于 head 同理。虽然这样设计会多出在循环中定位队尾节点，但总体来说读的操作效率要远远高于写的性能。

通过分析 ConcurrentLinkedQueue 中 offer、poll 的源码，发现tail 尾节点和 head 头节点是延迟更新的，两者更新触发时机为：

tail更新触发时机：当 tail 指向的节点的下一个节点为 null 的时候，只插入节点不更新 tail。

当 tail 指向的节点的下一个节点不为 null 的时候，会执行定位队列真正的队尾节点的操作，找到队尾节点后完成插入之后才会通过 casTail() 进行 tail 更新。
head更新触发时机：当 head 指向的节点的 item域 不为 null 的时候，只删除节点不更新 head。

当 head 指向的节点的 item域 为 null 的时候，会执行定位队列真正的队头节点的操作，找到队头节点后完成删除之后才会通过 updateHead() 进行 head 更新。

使用场景

ConcurrentLinkedQueue 特别适用于以下场景：

高并发场景：由于 ConcurrentLinkedQueue 采用了无锁编程技术，它在高并发环境下的性能表现非常出色。
需要快速插入和删除的场景：队列的头部和尾部都可以进行快速的插入和删除操作。
无界队列场景：与有界队列不同，ConcurrentLinkedQueue 可以存储任意数量的元素，适用于不需要限制队列大小的场景。

ConcurrentLinkedQueue 使用示例

以下是一个简单的 ConcurrentLinkedQueue 使用示例，展示了如何创建一个队列，并在其上执行基本的操作：

java 复制代码

import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;

public class ConcurrentLinkedQueueExample {

    public static void main(String[] args) {
        // 创建 ConcurrentLinkedQueue
        ConcurrentLinkedQueue<String> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();

        // 添加元素
        queue.offer("Apple");
        queue.offer("Banana");
        queue.offer("Cherry");

        // 打印队列
        System.out.println("队列初始状态: " + queue);

        // 创建线程向队列中添加元素
        Thread addThread = new Thread(() -> {
            queue.offer("Durian");
            queue.offer("Elderberry");
            System.out.println("添加元素后的队列: " + queue);
        });

        // 创建线程从队列中取出元素
        Thread pollThread = new Thread(() -> {
            while (!queue.isEmpty()) {
                String item = queue.poll();
                if (item != null) {
                    System.out.println("取出元素: " + item);
                }
            }
        });

        // 启动线程
        addThread.start();
        pollThread.start();

        try {
            // 等待线程结束
            addThread.join();
            pollThread.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
            System.err.println("主线程被中断");
        }

        // 打印最终队列状态
        System.out.println("最终队列状态: " + queue);
    }
}

注意事项

在使用 ConcurrentLinkedQueue 的过程中，应注意以下问题：

弱一致性 ：ConcurrentLinkedQueue 提供的是弱一致性保证，这意味着如果存在多个线程并发操作队列，队列的顺序可能会发生变化。
非阻塞特性 ：ConcurrentLinkedQueue 的 poll 方法在队列为空时会立即返回 null，而不是阻塞等待。这意味着如果你需要等待队列中有元素，应该考虑使用 BlockingQueue。
迭代器快照 ：ConcurrentLinkedQueue 的 iterator 方法返回的是一个快照迭代器，不会反映迭代期间队列的变化。如果需要实时迭代队列中的元素，可以考虑使用其他机制，如轮询。
内存回收 ：ConcurrentLinkedQueue 中的节点在没有引用指向时会被垃圾回收。因此，如果队列中的元素不再被引用，相应的节点也会被回收。