Java ConcurrentLinkedQueue的无锁并发操作原理
2022-08-202.5k 阅读
Java ConcurrentLinkedQueue 概述
在Java并发编程领域，ConcurrentLinkedQueue是一个重要的无锁队列实现。它提供了高效的并发操作，适用于多线程环境下的队列数据结构使用场景。ConcurrentLinkedQueue继承自AbstractQueue类，并实现了Queue接口，这意味着它拥有队列的基本特性，如先进先出（FIFO）。
ConcurrentLinkedQueue被设计用于在高并发环境下提供高性能的队列操作。与传统的基于锁的队列实现不同，ConcurrentLinkedQueue采用了无锁算法，这使得它在多线程访问时能够避免锁带来的性能开销和死锁问题。
数据结构基础
节点结构
ConcurrentLinkedQueue内部使用链表结构来存储元素。每个节点由两部分组成：存储的元素和指向下一个节点的引用。在Java代码中，节点的定义如下：
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);
}
}
}
从上述代码可以看出，Node类中的item和next字段都被声明为volatile类型。volatile关键字保证了内存可见性，即当一个线程修改了这些字段的值，其他线程能够立即看到修改后的结果。
队列的头尾指针
ConcurrentLinkedQueue使用两个指针来维护队列的头部和尾部，分别是head和tail。在队列初始化时，head和tail都指向一个空的节点，这个节点被称为哨兵节点。
private transient volatile Node<E> head;
private transient volatile Node<E> tail;
这两个指针同样被声明为volatile类型，以确保在多线程环境下的内存可见性。
入队操作（Offer方法）
方法实现
offer方法用于将元素添加到队列的尾部。其实现代码如下：
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) {
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 = q;
}
}
操作原理
- 参数检查：首先，
offer方法会对传入的元素进行null检查。如果元素为null，则抛出NullPointerException。 - 创建新节点：接着，创建一个新的
Node节点来存储要入队的元素。 - 循环查找尾节点：使用一个无限循环来查找队列的尾节点。开始时，
p指向tail节点。- 检查下一个节点是否为空：如果
p的下一个节点q为空，说明p就是尾节点。此时尝试通过casNext方法将p的next指针指向新节点。如果成功，再检查p是否等于tail。如果不相等，说明在查找尾节点的过程中tail指针被其他线程移动了，此时需要通过casTail方法将tail指针更新为新节点。 - 处理自循环情况：如果
p的下一个节点q不为空且p等于q，这表示出现了自循环的情况。此时需要重新定位p，如果tail指针发生了变化，则将p指向新的tail，否则将p指向head。 - 移动指针：如果
q不为空且p不等于q，则将p移动到q，继续循环查找尾节点。
- 检查下一个节点是否为空：如果
出队操作（Poll方法）
方法实现
poll方法用于从队列头部移除并返回一个元素。其实现代码如下：
public E poll() {
restartFromHead:
for (;;) {
for (Node<E> h = head, p = h, q;;) {
E item = p.item;
if (item != null && p.casItem(item, null)) {
if (p != h)
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;
}
}
}
操作原理
- 外层循环：
poll方法使用一个无限循环来确保操作的原子性。如果在操作过程中出现自循环等异常情况，可以通过内层循环的continue restartFromHead语句重新开始查找头部节点。 - 内层循环：
- 查找头部节点：开始时，
p指向head节点。 - 检查节点元素：如果
p的item不为空，尝试通过casItem方法将item设置为null，以表示该元素已被移除。如果成功，再检查p是否等于head。如果不相等，说明在查找头部节点的过程中head指针被其他线程移动了，此时需要通过updateHead方法更新head指针。最后返回移除的元素。 - 处理队列为空情况：如果
p的item为空且p的下一个节点q也为空，说明队列已空，通过updateHead方法更新head指针，并返回null。 - 处理自循环情况：如果
p的下一个节点q不为空且p等于q，表示出现自循环，通过continue restartFromHead重新开始查找头部节点。 - 移动指针：如果
p的item为空且p的下一个节点q不为空，将p移动到q，继续循环查找头部节点。
- 查找头部节点：开始时，
无锁算法的优势与挑战
优势
- 高性能：无锁算法避免了锁的竞争和线程上下文切换带来的开销，在高并发环境下能够提供更高的性能。
ConcurrentLinkedQueue通过使用CAS操作来实现无锁并发，使得多个线程可以同时对队列进行操作，而不会因为锁的争用而阻塞。 - 可扩展性：由于无锁算法不需要获取锁，因此可以更好地适应多处理器系统的扩展。随着处理器核心数量的增加，
ConcurrentLinkedQueue的性能可以得到进一步提升，而基于锁的队列实现可能会因为锁的争用而出现性能瓶颈。 - 避免死锁：死锁是多线程编程中常见的问题，尤其是在涉及多个锁的情况下。无锁算法通过避免使用锁，从根本上消除了死锁的可能性，使得程序更加健壮和可靠。
挑战
- 复杂的实现：无锁算法的实现通常比基于锁的算法更加复杂。例如，
ConcurrentLinkedQueue的入队和出队操作需要处理各种复杂的情况，如自循环、指针更新等。这增加了代码的编写难度和维护成本，需要开发人员对并发编程有深入的理解。 - ABA问题：
CAS操作可能会遇到ABA问题。在ConcurrentLinkedQueue中，虽然通过使用volatile关键字和合理的指针更新策略在一定程度上缓解了ABA问题，但在某些极端情况下，仍然可能出现问题。例如，如果一个节点被删除并重新插入队列，其内存地址可能不变，但内容已经发生了变化，这可能会导致CAS操作出现误判。
代码示例
多线程入队出队示例
import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;
public class ConcurrentLinkedQueueExample {
public static void main(String[] args) {
ConcurrentLinkedQueue<Integer> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();
Thread producer1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
queue.offer(i);
System.out.println("Producer 1 added: " + i);
}
});
Thread producer2 = new Thread(() -> {
for (int i = 10; i < 20; i++) {
queue.offer(i);
System.out.println("Producer 2 added: " + i);
}
});
Thread consumer1 = new Thread(() -> {
while (true) {
Integer value = queue.poll();
if (value != null) {
System.out.println("Consumer 1 removed: " + value);
} else {
break;
}
}
});
Thread consumer2 = new Thread(() -> {
while (true) {
Integer value = queue.poll();
if (value != null) {
System.out.println("Consumer 2 removed: " + value);
} else {
break;
}
}
});
producer1.start();
producer2.start();
consumer1.start();
consumer2.start();
try {
producer1.join();
producer2.join();
consumer1.join();
consumer2.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
在上述代码中，创建了一个ConcurrentLinkedQueue，并启动了两个生产者线程和两个消费者线程。生产者线程向队列中添加元素，消费者线程从队列中移除元素。通过这个示例，可以直观地看到ConcurrentLinkedQueue在多线程环境下的并发操作。
性能测试示例
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 ITERATIONS = 1000000;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ConcurrentLinkedQueue<Integer> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(THREADS);
long startTime = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < THREADS; i++) {
executorService.submit(() -> {
for (int j = 0; j < ITERATIONS; 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");
}
}
这个示例通过创建多个线程并发地对ConcurrentLinkedQueue进行入队和出队操作，并统计操作所需的时间，来测试ConcurrentLinkedQueue的性能。可以通过修改THREADS和ITERATIONS的值来模拟不同的并发场景和操作次数。
与其他队列实现的比较
与LinkedList的比较
- 线程安全性：
LinkedList不是线程安全的，在多线程环境下需要手动进行同步控制，例如使用synchronized关键字或Collections.synchronizedList方法。而ConcurrentLinkedQueue是线程安全的，内部采用无锁算法实现并发操作，无需额外的同步措施。 - 性能：在高并发环境下，
ConcurrentLinkedQueue的性能通常优于LinkedList。由于LinkedList在多线程访问时需要获取锁，会导致线程争用和上下文切换的开销，而ConcurrentLinkedQueue通过无锁算法避免了这些问题，能够提供更高的并发性能。
与BlockingQueue实现的比较
- 阻塞特性：
BlockingQueue的实现（如ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue等）提供了阻塞操作，例如put和take方法。当队列满时，put方法会阻塞直到队列有空间；当队列为空时，take方法会阻塞直到队列有元素。而ConcurrentLinkedQueue不提供阻塞操作，offer和poll方法总是立即返回，不会阻塞线程。 - 应用场景：如果应用程序需要在队列满或空时进行阻塞等待，那么
BlockingQueue是更好的选择，例如在生产者 - 消费者模型中。如果应用程序更注重非阻塞的高效并发操作，ConcurrentLinkedQueue则更为合适，例如在一些需要快速处理任务且不希望线程阻塞的场景中。
总结
ConcurrentLinkedQueue作为Java并发包中的重要组成部分，通过无锁算法实现了高效的并发队列操作。它在多线程环境下具有高性能、可扩展性和避免死锁等优势，适用于各种需要非阻塞队列的场景。然而，其复杂的实现和可能面临的ABA问题也需要开发人员在使用时加以注意。通过深入理解ConcurrentLinkedQueue的无锁并发操作原理和实际应用，开发人员能够更好地利用这一强大的工具来构建高效、可靠的并发程序。在实际应用中，需要根据具体的业务需求和场景，合理选择ConcurrentLinkedQueue或其他队列实现，以达到最佳的性能和功能效果。同时，通过性能测试和代码优化，可以进一步提升程序在多线程环境下的运行效率。