原因:学习ConcurrentLinkedQueue是看到akka框架的默认邮箱是使用ConcurrentLinkedQueue实现的。
1. ConcurrentLinkedQueue在java.util.concurrent包中(java 版本是1.7.0_71),类间继承关系如下:
public class ConcurrentLinkedQueueextends AbstractQueue implements Queue , java.io.Serializable
ConcurrentLinkedQueue继承了抽象类AbstractQueue,AbstractQueue抽象类中的几个实现方法也都是利用Queue接口中的方法实现的。
Queue接口中定义的抽象方法有:
package java.util;public interface Queueextends Collection { // 向队列中插入元素e,不验证队列空间限制条件下插入一个元素。如果队列有剩余空间,直接插入;如果队列满了,就抛出IllegalStateException异常 boolean add(E e); // 同样是向队列中插入元素e。如果队列有空间限制,同add;如果队列没有空间限制,比如ConcurrentLinkedQueue,总是可以插入进去 boolean offer(E e); // 返回并删除队列头部的第一个元素,remove()与poll()方法的不同在于,如果队列为空,remove()方法会抛出异常,而poll()方法是返回null E remove(); // 返回并删除队列头部的第一元素,如果队列空,返回null E poll(); // 返回但是不删除队头元素,element()方法与peek()方法的不同在于,如果队列为空,element()方法会抛出NoSuchElementException,而peek()方法返回null E element(); // 返回队头元素,如果队列为空,返回null E peek();}
队列的操作无非就是上述的插入和删除操作,从上述方法的定义来看,优先使用offer()和poll(),因为不抛异常的方法比较容易处理。
2. ConcurrentLinkedQueue是什么?
ConcurrentLinkedQueue是基于链接节点实现的无界的线程安全的先进先出的非阻塞的队列。其链接节点的结构为:
private static class Node{ volatile E item; volatile Node next; }
每一个链接节点(Node)包含节点元素(item)和指向下一个节点的引用(next)。
为了方便对ConcurrentLinkedQueue的读写操作,又定义了两个变量:头结点head;尾节点tail
// 头结点,所有后继节点都可以从head开始,使用succ()方法访问到/** * A node from which the first live (non-deleted) node (if any) * can be reached in O(1) time. * Invariants: * - all live nodes are reachable from head via succ() * - head != null * - (tmp = head).next != tmp || tmp != head * Non-invariants: * - head.item may or may not be null. * - it is permitted for tail to lag behind head, that is, for tail * to not be reachable from head! */private transient volatile Nodehead;// 尾节点,/** * A node from which the last node on list (that is, the unique * node with node.next == null) can be reached in O(1) time. * Invariants: * - the last node is always reachable from tail via succ() * - tail != null * Non-invariants: * - tail.item may or may not be null. * - it is permitted for tail to lag behind head, that is, for tail * to not be reachable from head! * - tail.next may or may not be self-pointing to tail. */private transient volatile Node tail;
头尾节点的注释中都提到了succ()方法,succ()方法是什么呢?
// succ()方法是返回节点p的后继节点。如果节点p的后继节点指向自己,则返回头结点。这种情况是如何发生的?(节点p已经不在链表中了?) final Nodesucc(Node p) { Node next = p.next; return (p == next) ? head : next; }
succ()方法主要用途有什么?
(1). size(), 求队列大小
// 返回队列中元素个数,可以看到元素个数是int类型, 如果元素个数超过了Integer.MAX_VALUE的话,也只能返回Integer.MAX_VALUE // 另外,这个方法返回的值是不精确的。 public int size() { int count = 0; // 从第一个节点开始遍历,如果节点不为null,统计节点个数,然后使用succ()方法获取下一个节点 for (Nodep = first(); p != null; p = succ(p)) if (p.item != null) // Collection.size() spec says to max out if (++count == Integer.MAX_VALUE) break; return count; }
(2). contains()方法中succ()的用法与求队列大小类似
public boolean contains(Object o) { if (o == null) return false; for (Nodep = first(); p != null; p = succ(p)) { E item = p.item; if (item != null && o.equals(item)) return true; } return false; }
3. ConcurrentLinkedQueue的构造函数为:
public ConcurrentLinkedQueue() { head = tail = new Node(null); }
从构造函数看,ConcurrentLinkedQueue的头结点是包含null元素的一个节点,并且初始条件下head节点指向tail节点。
接下来看下head和tail是如何在offer()和poll()方法中怎么使用的。
// 插入元素到队尾public boolean offer(E e) { // 检查元素e是否为null,如果为null,抛出NullPointerException checkNotNull(e); // 创建新节点newNode final java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue.NodenewNode = new java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue.Node (e); // 首先赋值tail给t (t = tail),赋值t给p (p = t) // 然后执行死循环for(;;) for (java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue.Node t = tail, p = t;;) { // 将p的next赋值给q, p.next -> q java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue.Node q = p.next; // 如果q为null,表示p是尾节点 if (q == null) { // p是尾节点,将新节点newNode赋值给p的next,p.next -> e(newNode) // 这个赋值过程是使用CAS来实现的,CAS比较并交换,意思就是如果newNode != null,则交换他们 if (p.casNext(null, newNode)) { // 如果p != t,即p != t = tail,表示t(= tail)不是尾节点 if (p != t) // 将t置为尾节点,该操作允许失败,因此t(= tail)并不总是尾节点 // 因此需要执行for(;;),先找到尾节点 casTail(t, newNode); // Failure is OK. return true; } // Lost CAS race to another thread; re-read next } else if (p == q) // 如果p == q, 说明尾节点tail已经不在链表中了, // 这种情况下,跳转到head,因为从head开始所有的节点都可达 p = (t != (t = tail)) ? t : head; else // 如果p == q且q == null,p指向q,即p跳转到下一个元素 p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q; }}
public E poll() { // 跳出for(;;)循环的标志位 restartFromHead: for (;;) { // 首先赋值head给h (h = head),赋值h给p (p = h),并定义变量q // 然后执行死循环for(;;) for (java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue.Nodeh = head, p = h, q;;) { // 获取p的元素值,即头节点的元素值 E item = p.item; // 如果元素值不为null,并将p的元素置null // casItem(item, null)意思是如果item != null,则交换两者 // 交换之后,item就从队列中被移除了 if (item != null && p.casItem(item, null)) { if (p != h) // 如果p不是指向h (head),更新head的值 updateHead(h, ((q = p.next) != null) ? q : p); return item; } else if ((q = p.next) == null) { // 说明元素为空 updateHead(h, p); return null; } else if (p == q) continue restartFromHead; else p = q; } }}
4. 生产者消费者使用ConcurrentLinkedQueue
import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;public class ProducerAndConsumer { private static ConcurrentLinkedQueue queue = new ConcurrentLinkedQueue(); static class Producer extends Thread { String name; public Producer(String name) { this.name = name; } public void run() { for (int i = 0; i < 10; i++) { queue.offer(i); System.out.println(name + " : " + i); try { Thread.sleep(1 * 1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } } static class Consumer extends Thread { String name; public Consumer(String name) { this.name = name; } public void run() { for (;;) { Object item = queue.poll(); System.out.println(name + " : " + item); try { Thread.sleep(1 * 1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } } public static void main(String[] args) { new Producer("p1").start(); new Producer("p2").start(); new Consumer("c1").start(); // new Consumer("c2").start(); }}