并发队列之ConcurrentLinkedQueue（非阻塞队列）
前言
常用的并发队列有阻塞队列和非阻塞队列，前者使用锁实现，后者则使用CAS非阻塞算法实现，使用非阻塞队列一般性能比较好，下面就看看常用的非阻塞ConcurrentLinkedQueue是如何使用CAS实现的。
一、ConcurrentLinkedQueue简介
ConcurrentLinkedQueue是基于一个单向无界链表实现的无阻塞的无界队列。采用的是CAS非阻塞算法实现。无锁化。
二、 ConcurrentLinkedQueue源码分析
2.1、ConcurrentLinkedQueue的lock
因为采用的是CAS，所以这里没有锁。
node中的cas方法
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); }
2.2.1、数据结构
private static class Node<E> { volatile E item; volatile Node<E> next; /** * Constructs a new node. Uses relaxed write because item can * only be seen after publication via casNext. */ 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); } } }
2.2、成员变量
private transient volatile Node<E> head; private transient volatile Node<E> tail;
如图ConcurrentLinkedQueue中有两个volatile类型的Node节点分别用来存在列表的首尾节点，其中head节点存放链表第一个item为null的节点，tail则并不是总指向最后一个节点。Node节点内部则维护一个变量item用来存放节点的值，next用来存放下一个节点，从而链接为一个单向无界列表。
2.3、构造函数
public ConcurrentLinkedQueue() { head = tail = new Node<E>(null); } public ConcurrentLinkedQueue(Collection<? extends E> c) { Node<E> h = null, t = null; for (E e : c) { checkNotNull(e); Node<E> newNode = new Node<E>(e); if (h == null) h = t = newNode; else { t.lazySetNext(newNode); t = newNode; } } if (h == null) h = t = new Node<E>(null); head = h; tail = t; }
如上代码初始化时候会构建一个item为NULL的空节点作为链表的首尾节点。
2.4、入队
offer操作是在链表末尾添加一个元素，下面看看实现原理。
public boolean add(E e) { return offer(e); }
public boolean offer(E e) { //e为null则抛出空指针异常 checkNotNull(e); //构造Node节点构造函数内部调用unsafe.putObject，后面统一讲 final Node<E> newNode = new Node<E>(e); //从尾节点插入 for (Node<E> t = tail, p = t;;) { Node<E> q = p.next; //如果q=null说明p是尾节点则插入 if (q == null) { //cas插入（1） if (p.casNext(null, newNode)) { //cas成功说明新增节点已经被放入链表，然后设置当前尾节点（包含head，1，3，5.。。个节点为尾节点） if (p != t) // hop two nodes at a time casTail(t, newNode); // Failure is OK. return true; } // Lost CAS race to another thread; re-read next } else if (p == q)//(2) //多线程操作时候，由于poll时候会把老的head变为自引用，然后head的next变为新head，所以这里需要 //重新找新的head，因为新的head后面的节点才是激活的节点 p = (t != (t = tail)) ? t : head; else // 寻找尾节点(3) p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q; } }
从构造函数知道一开始有个item为null的哨兵节点，并且head和tail都是指向这个节点，然后当一个线程调用offer时候首先
如图首先查找尾节点，q==null,p就是尾节点，所以执行p.casNext通过cas设置p的next为新增节点，这时候p==t所以不重新设置尾节点为当前新节点。由于多线程可以调用offer方法，所以可能两个线程同时执行到了（1）进行cas，那么只有一个会成功（假如线程1成功了），成功后的链表为：
失败的线程会循环一次这时候指针为：
这时候会执行（3）所以p=q,然后在循环后指针位置为：
所以没有其他线程干扰的情况下会执行（1）执行cas把新增节点插入到尾部，没有干扰的情况下线程2 cas会成功，然后去更新尾节点tail,由于p!=t所以更新。这时候链表和指针为：
假如线程2cas时候线程3也在执行，那么线程3会失败，循环一次后，线程3的节点状态为：
这时候p!=t ；并且t的原始值为told，t的新值为tnew ,所以told!=tnew，所以 p=tnew=tail;
然后在循环一下后节点状态:
q==null所以执行（1）。
现在就差p==q这个分支还没有走，这个要在执行poll操作后才会出现这个情况。poll后会存在下面的状态
这个时候添加元素时候指针分布为：
所以会执行（2）分支 结果 p=head
然后循环，循环后指针分布：
所以执行(1),然后p!=t所以设置tail节点。现在分布图：
自引用的节点会被垃圾回收掉。
2.5、出队
poll操作是在链表头部获取并且移除一个元素，下面看看实现原理。
public E poll() { restartFromHead: //死循环 for (;;) { //死循环 for (Node<E> h = head, p = h, q;;) { //保存当前节点值 E item = p.item; //当前节点有值则cas变为null（1） if (item != null && p.casItem(item, null)) { //cas成功标志当前节点以及从链表中移除 if (p != h) // 类似tail间隔2设置一次头节点（2） updateHead(h, ((q = p.next) != null) ? q : p); return item; } //当前队列为空则返回null（3） else if ((q = p.next) == null) { updateHead(h, p); return null; } //自引用了，则重新找新的队列头节点（4） else if (p == q) continue restartFromHead; else//(5) p = q; } } } final void updateHead(Node<E> h, Node<E> p) { if (h != p && casHead(h, p)) h.lazySetNext(h); }
当队列为空时候：
可知执行（3）这时候有两种情况，第一没有其他线程添加元素时候(3)结果为true然后因为h!=p为false所以直接返回null。第二在执行q=p.next前，其他线程已经添加了一个元素到队列，这时候（3）返回false，然后执行（5）p=q,然后循环后节点分布：
这时候执行（1）分支，进行cas把当前节点值值为null，同时只有一个线程会成功，cas成功 标示该节点从队列中移除了，然后p!=h,调用updateHead方法，参数为h,p;h!=p所以把p变为当前链表head节点，然后h节点的next指向自己。现在状态为：
cas失败 后 会再次循环，这时候分布图为：
这时候执行（3）返回null.
现在还有个分支（4）没有执行过，那么什么时候会执行那？
这时候执行（1）分支，进行cas把当前节点值值为null，同时只有一个线程A会成功，cas成功 标示该节点从队列中移除了，然后p!=h,调用updateHead方法，假如执行updateHead前另外一个线程B开始poll这时候它p指向为原来的head节点，然后当前线程A执行updateHead这时候B线程链表状态为：
所以会执行（4）重新跳到外层循环，获取当前head,现在状态为：
remove操作
如果队列里面存在该元素则删除给元素，如果存在多个则删除第一个，并返回true，否者返回false
public boolean remove(Object o) { //查找元素为空，直接返回false if (o == null) return false; Node<E> pred = null; for (Node<E> p = first(); p != null; p = succ(p)) { E item = p.item; //相等则使用cas值null,同时一个线程成功，失败的线程循环查找队列中其他元素是否有匹配的。 if (item != null && o.equals(item) && p.casItem(item, null)) { //获取next元素 Node<E> next = succ(p); //如果有前驱节点，并且next不为空则链接前驱节点到next, if (pred != null && next != null) pred.casNext(p, next); return true; } pred = p; } return false; }
2.6、peek操作
peek操作是获取链表头部一个元素（只读取不移除），下面看看实现原理。
代码与poll类似，只是少了castItem.并且peek操作会改变head指向，offer后head指向哨兵节点，第一次peek后head会指向第一个真的节点元素。
public E peek() { restartFromHead: for (;;) { for (Node<E> h = head, p = h, q;;) { E item = p.item; if (item != null || (q = p.next) == null) { updateHead(h, p); return item; } else if (p == q) continue restartFromHead; else p = q; } } }
2.7、size操作
获取当前队列元素个数，在并发环境下不是很有用，因为使用CAS没有加锁所以从调用size函数到返回结果期间有可能增删元素，导致统计的元素个数不精确。
public int size() { int count = 0; for (Node<E> p = first(); p != null; p = succ(p)) if (p.item != null) // 最大返回Integer.MAX_VALUE if (++count == Integer.MAX_VALUE) break; return count; } //获取第一个队列元素（哨兵元素不算），没有则为null Node<E> first() { restartFromHead: for (;;) { for (Node<E> h = head, p = h, q;;) { boolean hasItem = (p.item != null); if (hasItem || (q = p.next) == null) { updateHead(h, p); return hasItem ? p : null; } else if (p == q) continue restartFromHead; else p = q; } } } //获取当前节点的next元素，如果是自引入节点则返回真正头节点 final Node<E> succ(Node<E> p) { Node<E> next = p.next; return (p == next) ? head : next; }
2.8、contains操作
判断队列里面是否含有指定对象，由于是遍历整个队列，所以类似size 不是那么精确，有可能调用该方法时候元素还在队列里面，但是遍历过程中才把该元素删除了，那么就会返回false.
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; }
三、jdk或开源框架中使用
Tomcat中NioEndPoint中的每个poller里面就维护一个ConcurrentLinkedQueue<Runnable>用来作为缓冲存放任务。
3.1、 Acceptor线程
accept线程作用是接受客户端发来的连接请求并放入到事件队列。
看下代码：
protected class Acceptor extends AbstractEndpoint.Acceptor { @Override public void run() { int errorDelay = 0; // 一直循环直到接收到shutdown命令 while (running) { ... if (!running) { break; } state = AcceptorState.RUNNING; try { //如果达到max connections个请求则等待 countUpOrAwaitConnection(); SocketChannel socket = null; try { // 从TCP缓存获取一个完成三次握手的套接字，没有则阻塞 // socket socket = serverSock.accept(); } catch (IOException ioe) { ... } // Successful accept, reset the error delay errorDelay = 0; if (running && !paused) { if (!setSocketOptions(socket)) { countDownConnection(); closeSocket(socket); } } else { countDownConnection(); closeSocket(socket); } .... } catch (SocketTimeoutException sx) { // Ignore: Normal condition .... } state = AcceptorState.ENDED; } } protected boolean setSocketOptions(SocketChannel socket) { // Process the connection try { //disable blocking, APR style, we are gonna be polling it ... getPoller0().register(channel); } catch (Throwable t) { ... return false; } return true; } public void register(final NioChannel socket) { ... addEvent(r); } public void addEvent(Runnable event) { events.offer(event); ... }
3.2 Poll线程
poll线程作用是从事件队列里面获取事件把链接套接字加入selector,并且监听socket事件进行处理。
public void run() { while (true) { try { ... if (close) { ... } else { hasEvents = events(); } try { ... } catch ( NullPointerException x ) {... } Iterator<SelectionKey> iterator = keyCount > 0 ? selector.selectedKeys().iterator() : null; // 遍历所有注册的channel对感兴趣的事件处理 while (iterator != null && iterator.hasNext()) { SelectionKey sk = iterator.next(); KeyAttachment attachment = (KeyAttachment)sk.attachment(); if (attachment == null) { iterator.remove(); } else { attachment.access(); iterator.remove(); processKey(sk, attachment); } }//while //process timeouts timeout(keyCount,hasEvents); if ( oomParachute > 0 && oomParachuteData == null ) checkParachute(); } catch (OutOfMemoryError oom) { ... } }//while synchronized (this) { this.notifyAll(); } stopLatch.countDown(); }
public boolean events() { boolean result = false; //从队列获取任务并执行 Runnable r = null; while ( (r = events.poll()) != null ) { result = true; try { r.run(); if ( r instanceof PollerEvent ) { ((PollerEvent)r).reset(); eventCache.offer((PollerEvent)r); } } catch ( Throwable x ) { log.error("",x); } } return result; } //如配置线程池则请求交给线程池处理。 public boolean processSocket(NioChannel socket, SocketStatus status, boolean dispatch) { try { KeyAttachment attachment = (KeyAttachment)socket.getAttachment(); if (attachment == null) { return false; } attachment.setCometNotify(false); //will get reset upon next reg SocketProcessor sc = processorCache.poll(); if ( sc == null ) sc = new SocketProcessor(socket,status); else sc.reset(socket,status); if ( dispatch && getExecutor()!=null ) getExecutor().execute(sc); else sc.run(); } catch (RejectedExecutionException rx) { ... } return true; }
四、有意思的问题
4.1 一个判断的执行结果分析
offer中有个 判断 t != (t = tail）假如 t=node1;tail=node2;并且node1!=node2那么这个判断是true还是false那，答案是true，这个判断是看当前t是不是和tail相等，相等则返回true否者为false，但是无论结果是啥执行后t的值都是tail。
下面从字节码来分析下为啥？
- 一个例子
public static void main(String[] args) { int t = 2; int tail = 3; System.out.println(t != (t = tail)); }
结果为：true;
- 字节码文件：
字节码命令介绍可参考： http://blog.csdn.net/web_code/article/details/12164733
一开始栈为空
- 第0行指令作用是把值2入栈栈顶元素为2
- 第1行指令作用是将栈顶int类型值保存到局部变量t中。
- 第2行指令作用是把值3入栈栈顶元素为3
- 第3行指令作用是将栈顶int类型值保存到局部变量tail中。
- 第4调用打印命令
- 第7行指令作用是把变量t中的值入栈
- 第8行指令作用是把变量tail中的值入栈
- 现在栈里面元素为3，2并且3位栈顶
- 第9行指令作用是当前栈顶元素入栈，所以现在栈内容3，3，2
- 第10行指令作用是把栈顶元素存放到t，现在栈内容3，2
- 第11行指令作用是判断栈顶两个元素值，相等则跳转 18。由于现在栈顶严肃为3，2不相等所以返回true.
- 第14行指令作用是把1入栈。
然后回头分析下!=是双目运算符，应该是首先把左边的操作数入栈，然后在去计算了右侧操作数。
4.2 Node的构造函数
另外对于每个节点Node在构造时候使用UnSafe.putObject设置item替代了直接对volatile的赋值，这个是为了性能考虑？为啥不直接赋值那，看看类注解怎么说：
Node(E item) { UNSAFE.putObject(this, itemOffset, item); }
When constructing a Node (before enqueuing it) we avoid paying for a volatile write to item by using Unsafe.putObject instead of a normal write. This allows the cost of enqueue to be”one-and-a-half”
CASes.
也就是说当构造Node节点时候（这时候节点还没有放入队列链表）为了避免正常的写volatile变量的开销 使用了Unsafe.putObject代替。这使元素进队列仅仅花费1.5个cas操作的耗时。这个是说使用Unsafe.putObject比直接给volatile变量赋值更高效？目前还没有查到相关资料。
五、总结
ConcurrentLinkedQueue使用CAS非阻塞算法实现使用CAS解决了当前节点与next节点之间的安全链接和对当前节点值的赋值。由于使用CAS没有使用锁，所以获取size的时候有可能进行offer，poll或者remove操作，导致获取的元素个数不精确，所以在并发情况下size函数不是很有用。另外第一次peek或者first时候会把head指向第一个真正的队列元素。
下面总结下如何实现线程安全的，可知入队出队函数都是操作volatile变量：head，tail。所以要保证队列线程安全只需要保证对这两个Node操作的可见性和原子性，由于volatile本身保证可见性，所以只需要看下多线程下如果保证对着两个变量操作的原子性。
对于offer操作是在tail后面添加元素，也就是调用tail.casNext方法，而这个方法是使用的CAS操作，只有一个线程会成功，然后失败的线程会循环一下，重新获取tail，然后执行casNext方法。对于poll也是这样的。
转自：http://www.importnew.com/25668.html
