深入解析ConcurrentLinkedQueue源码实现原理

ConcurrentLinkedQueue是Java中一个线程安全的队列，它是基于链接节点的，支持并发访问。本文将通过源码分析的方式，探讨ConcurrentLinkedQueue内部的工作原理以及它的主要实现细节。 ### ConcurrentLinkedQueue源码分析 #### 核心概念 ConcurrentLinkedQueue是Java.util.concurrent包中的一个类，主要用于在多线程环境下提供一个高并发的线程安全队列。它属于非阻塞队列的一种，通常适用于生产者-消费者场景，在这种场景中，队列的节点被多个生产者线程添加，同时被多个消费者线程消费。 #### 关键属性 在深入源码前，我们先了解ConcurrentLinkedQueue的几个关键属性： - `head`：队列的头部节点，队列中第一个有效节点，新加入的元素都会加入到这个节点之后。 - `tail`：队列的尾部节点，表示队列中最后一个有效节点。 这些属性都是volatile类型，确保了多线程环境下对于队列头尾节点的可见性。 #### 节点结构 ConcurrentLinkedQueue中的节点是使用内部类`Node`实现的，每个节点都包含两个重要的属性：`item`和`next`。其中`item`用于存储节点的数据，`next`用于指向队列中的下一个节点。 ```java private static class Node<E> { volatile E item; volatile Node<E> next; Node(E item) { UNSAFE.putObject(this, itemOffset, item); } } ``` #### 入队操作（offer） 入队操作是指向队列尾部添加元素，ConcurrentLinkedQueue中添加元素使用的是`offer(E e)`方法，它会返回一个布尔值表示操作是否成功。 ```java 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); return true; } } else if (p == q) p = (t != (t = tail)) ? t : head; else p = p.next; } } ``` 该方法使用了自旋和CAS（Compare-And-Swap）操作，这是ConcurrentLinkedQueue实现线程安全的关键所在。通过CAS操作可以原子性地更新链表的节点，而不需要使用锁机制。 #### 出队操作（poll） 出队操作是指从队列头部移除元素，ConcurrentLinkedQueue中移除元素使用的是`poll()`方法。 ```java 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) casHead(h, q != null ? q : p); return item; } else if ((q = p.next) == null) { casTail(p, p); return null; } else if (p == q) continue restartFromHead; else p = p.next; } } } ``` `poll()`方法同样使用了自旋和CAS操作，确保在多线程环境下安全地从队列中移除元素。如果队列头部元素为null，则表示队列为空，返回null；否则，将头部元素设置为null，并返回原头部元素。 #### 遍历操作（iterator） ConcurrentLinkedQueue还提供了一个非阻塞的迭代器，其使用方式和其他集合类相同，但要注意的是，由于ConcurrentLinkedQueue的结构可以在遍历过程中变化，所以它的迭代器是弱一致的。 ```java public Iterator<E> iterator() { return new Itr(); } private class Itr implements Iterator<E> { private Node<E> nextNode; private E nextItem; private Node<E> lastRet; private int nextIndex; Itr() { advance(); } ... } ``` 迭代器在遍历时，会不断调用`advance()`方法来获取下一个元素，该方法内部同样使用了自旋和CAS操作。 #### 总结 ConcurrentLinkedQueue通过使用volatile修饰关键节点以及利用CAS操作，实现了多线程环境下的无锁并发访问。它的入队和出队操作都是非阻塞的，并且是无界队列，意味着它不会因为达到容量限制而阻塞线程。ConcurrentLinkedQueue的这些特性使得它非常适合用在多生产者和多消费者场景下，尤其是当对性能要求较高，同时又希望队列操作是线程安全的情况下。