Java ConcurrentLinkedQueue在高并发下的性能表现
Java ConcurrentLinkedQueue 概述
在 Java 的并发包 java.util.concurrent 中，ConcurrentLinkedQueue 是一个基于链接节点的无界线程安全队列。它采用先进先出（FIFO）的原则对元素进行排序。与传统的 Queue 实现类不同，ConcurrentLinkedQueue 专为高并发环境设计，能够在多线程场景下高效地处理队列操作。
数据结构基础
ConcurrentLinkedQueue 内部使用单向链表作为数据存储结构。链表的节点定义如下：
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);
}
// 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);
}
}
}
每个节点包含一个存储元素的 item 字段和指向下一个节点的 next 字段。通过 volatile 关键字修饰这两个字段，保证了多线程环境下对节点数据的可见性。
队列的初始化
ConcurrentLinkedQueue 在初始化时，会创建一个虚拟的头节点和尾节点：
public ConcurrentLinkedQueue() {
head = tail = new Node<E>(null);
}
这个虚拟节点的存在简化了队列操作的实现，特别是在入队和出队操作时，避免了对空队列的特殊处理。
入队操作（Offer 方法）
入队操作是将元素添加到队列的尾部。ConcurrentLinkedQueue 的 offer 方法实现如下：
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) {
// p is last node
if (p.casNext(null, newNode)) {
// Successful CAS is the linearization point
// for e to become an element of this queue,
// and for newNode to become "live".
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)
// 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.
p = (t != (t = tail))? t : head;
else
// Check for tail updates after two hops.
p = (p != t && t != (t = tail))? t : q;
}
}
操作流程解析
- 参数检查：首先检查要入队的元素是否为
null，如果为null则抛出NullPointerException。 - 创建新节点：创建一个新的节点
newNode用于存储要入队的元素。 - 循环查找尾节点：通过一个无限循环来查找队列的尾节点。在每次循环中，获取当前节点
p的下一个节点q。- 如果
q为null，说明p是尾节点。此时尝试通过casNext方法将p的next指针指向newNode。如果 CAS 操作成功，说明元素成功入队。接着检查当前尾节点t是否等于p，如果不相等，则尝试通过casTail方法更新尾节点。 - 如果
q不为null且p等于q，说明链表出现了异常（如在并发操作中链表结构被破坏），此时将p重新指向尾节点t或者头节点head。 - 如果
q不为null且p不等于q，则根据p和t的关系以及尾节点t的更新情况，决定p是继续指向q还是更新为尾节点t。
- 如果
并发控制
入队操作使用了 CAS（Compare - And - Swap）操作来确保在多线程环境下的线程安全。CAS 操作是一种乐观锁机制，它尝试将内存中的值与预期值进行比较，如果相等则将其更新为新值，否则不进行任何操作。通过这种方式，ConcurrentLinkedQueue 可以在不使用锁的情况下实现高效的并发入队操作。
出队操作（Poll 方法）
出队操作是从队列的头部移除并返回一个元素。ConcurrentLinkedQueue 的 poll 方法实现如下：
public E poll() {
restartFromHead:
for (;;) {
for (Node<E> h = head, p = h, q;;) {
E item = p.item;
if (item != null && p.casItem(item, null)) {
// Successful CAS is the linearization point
// for item to be removed from this queue.
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;
}
}
}
操作流程解析
- 无限循环：通过一个双重无限循环来查找并移除队列头部的元素。
- 获取当前节点元素：在内部循环中，获取当前节点
p的元素item。- 如果
item不为null，尝试通过casItem方法将item设置为null，表示该元素已被移除。如果 CAS 操作成功，说明元素成功出队。接着检查当前头节点h是否等于p，如果不相等，则通过updateHead方法更新头节点。 - 如果
item为null且p的下一个节点q也为null，说明队列为空，通过updateHead方法更新头节点并返回null。 - 如果
p等于q，说明链表出现异常，跳出内部循环并重新从头部开始查找。 - 如果
item为null但q不为null，则将p更新为q，继续循环查找。
- 如果
并发控制
出队操作同样使用了 CAS 操作来确保线程安全。在移除元素时，通过 casItem 方法将节点的 item 字段设置为 null，避免了在多线程环境下重复移除相同元素的问题。同时，通过 updateHead 方法来更新头节点，保证了队列结构的一致性。
高并发下的性能表现
无锁设计的优势
ConcurrentLinkedQueue 的无锁设计使其在高并发环境下具有出色的性能表现。与传统的基于锁的队列实现相比，无锁队列避免了锁竞争带来的开销。在多线程同时访问队列时，基于锁的队列需要线程竞争锁资源，这可能导致线程阻塞和上下文切换，从而降低系统的整体性能。而 ConcurrentLinkedQueue 使用 CAS 操作，多个线程可以同时尝试修改队列结构，只有在 CAS 操作失败时才需要重试，大大减少了线程阻塞的时间。
可扩展性
由于 ConcurrentLinkedQueue 的无锁设计，它在高并发场景下具有良好的可扩展性。随着线程数的增加，基于锁的队列性能会急剧下降，因为锁竞争会变得更加激烈。而 ConcurrentLinkedQueue 能够更好地利用多核处理器的优势，每个线程可以独立地进行入队和出队操作，不会因为锁的争用而影响整体性能。这种可扩展性使得 ConcurrentLinkedQueue 非常适合在大规模并发系统中使用，例如高并发的网络服务器、分布式系统等场景。
性能测试
为了更直观地了解 ConcurrentLinkedQueue 在高并发下的性能表现，我们进行一个简单的性能测试。测试代码如下：
import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class ConcurrentLinkedQueuePerformanceTest {
private static final int THREADS = 10;
private static final int OPERATIONS = 1000000;
private static final ConcurrentLinkedQueue<Integer> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(THREADS);
long startTime = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < THREADS; i++) {
executorService.submit(() -> {
for (int j = 0; j < OPERATIONS; j++) {
queue.offer(j);
queue.poll();
}
});
}
executorService.shutdown();
executorService.awaitTermination(1, TimeUnit.MINUTES);
long endTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println("Total time: " + (endTime - startTime) + " ms");
}
}
在这个测试中，我们创建了一个 ConcurrentLinkedQueue，并启动 10 个线程，每个线程执行 100 万次入队和出队操作。通过记录操作的总时间，我们可以大致评估 ConcurrentLinkedQueue 在高并发下的性能。
测试结果分析
在实际测试中，我们发现 ConcurrentLinkedQueue 在高并发环境下能够高效地处理大量的入队和出队操作。随着线程数的增加，虽然总操作时间会有所增长，但增长幅度相对较小，体现了其良好的可扩展性。相比之下，如果使用基于锁的队列实现，如 LinkedBlockingQueue，在相同的测试条件下，由于锁竞争的影响，总操作时间会显著增加，性能下降明显。
适用场景
高并发消息队列
在高并发的消息处理系统中，ConcurrentLinkedQueue 可以作为消息队列来使用。例如，在一个分布式的日志收集系统中，各个节点产生的日志消息可以通过 ConcurrentLinkedQueue 进行暂存，然后由专门的消费者线程从队列中取出消息并进行处理。由于 ConcurrentLinkedQueue 的无锁设计和高效的并发性能，能够满足高并发场景下日志消息的快速入队和出队需求。
生产者 - 消费者模型
在生产者 - 消费者模型中，ConcurrentLinkedQueue 可以作为生产者和消费者之间的缓冲区。生产者线程将生产的任务放入队列，消费者线程从队列中取出任务进行处理。ConcurrentLinkedQueue 的线程安全特性保证了在多生产者和多消费者的情况下，任务的正确传递和处理，避免了数据竞争和不一致的问题。
任务调度
在任务调度系统中，ConcurrentLinkedQueue 可以用于存储待执行的任务。调度器线程可以从队列中取出任务并安排到合适的执行线程中。由于 ConcurrentLinkedQueue 的先进先出特性，任务按照提交的顺序依次执行，符合大多数任务调度场景的需求。同时，其高效的并发性能也能够应对高并发的任务提交情况。
与其他并发队列的比较
与 LinkedBlockingQueue 的比较
LinkedBlockingQueue 是一个基于链表的有界阻塞队列，它使用锁机制来保证线程安全。与 ConcurrentLinkedQueue 相比，LinkedBlockingQueue 的优势在于它是有界的，可以防止队列无限增长导致内存溢出。然而，由于其基于锁的实现方式，在高并发环境下，锁竞争会导致性能下降。而 ConcurrentLinkedQueue 虽然是无界的，但在高并发性能上更具优势，适用于对性能要求较高且对队列大小没有严格限制的场景。
与 ArrayBlockingQueue 的比较
ArrayBlockingQueue 是一个基于数组的有界阻塞队列，同样使用锁机制保证线程安全。它的优点是初始化时可以指定队列的容量，并且由于基于数组，在内存使用上更加紧凑。但与 ConcurrentLinkedQueue 相比，其锁机制在高并发下会带来性能瓶颈。ConcurrentLinkedQueue 的无锁设计使其在高并发场景下能够提供更高的吞吐量，更适合处理大量并发的队列操作。
与 PriorityBlockingQueue 的比较
PriorityBlockingQueue 是一个支持优先级的无界阻塞队列，元素按照自然顺序或者自定义的比较器进行排序。与 ConcurrentLinkedQueue 不同，PriorityBlockingQueue 主要用于需要按照优先级处理元素的场景。在性能方面，由于其需要维护元素的优先级顺序，插入和删除操作相对复杂，性能在高并发下不如 ConcurrentLinkedQueue。ConcurrentLinkedQueue 更侧重于简单的先进先出队列操作，在高并发性能上表现更优。
总结
ConcurrentLinkedQueue 作为 Java 并发包中的重要组成部分，在高并发环境下展现出了卓越的性能和良好的可扩展性。其无锁设计避免了锁竞争带来的开销，使得多个线程能够高效地进行入队和出队操作。通过性能测试和与其他并发队列的比较，我们可以清楚地看到 ConcurrentLinkedQueue 在高并发场景下的优势。在实际应用中，根据具体的需求和场景，合理选择使用 ConcurrentLinkedQueue 可以显著提升系统的并发处理能力。无论是在高并发消息队列、生产者 - 消费者模型还是任务调度等场景中，ConcurrentLinkedQueue 都能发挥其重要作用，为构建高性能的并发系统提供有力支持。同时，深入理解其实现原理和性能特点，有助于开发人员更好地优化和调优基于队列的并发应用程序。