【JUC源码解析】ConcurrentLinkedQueue

简介

ConcurrentLinkedQueue是一个基于链表结点的无界线程安全队列。

概述

队列顺序，为FIFO(first-in-first-out)；队首元素，是当前排队时间最长的；队尾元素，当前排队时间最短的。新元素，从队尾插入；检索元素，从队首开始，Node的next属性保证从队首能遍历到所有的有效元素。由于此队列使用Node的next属性联接在一起，因此不允许有null元素。

队列的实现具有非阻塞，弱一致性，滞后更新等特点。

队列维护两个指针，head指针和tail指针，一开始，head和tail都指向“哑巴”结点（Node的item属性为空），新结点从尾部插入，队列向后增长，然而，tail并不总是指向尾部（队列中最后一个元素），head也并不总是指向头部（队列中第一个有效元素）。

head和tail的更新是独立的，也就是说，tail指针很可能比head指针指向更靠前的结点（当然，此结点是已删除结点，下次更新tail结点后，又跑到head结点后面或同一个），这保证了插入和删除的独立性。

hop，跳，指的是head或tail结点与第一个或最后一个结点的距离，大于等于2时更新。

新元素入队时，最后一个结点的next域为null，队列中的所有未删除结点的item域不能为null且从head都可以在O(N)时间内遍历到；

对于要删除的结点，不是将其引用直接置为null，而是将其item域先置为null(迭代器在遍历时会跳过item为null的结点)；允许head和tail滞后更新，即前文提到的head/tail指针并非总是指向队列的头/尾节点。

head结点（head指针指向的结点）的next域不能指向该结点自身，tail结点的next域可以指向该结点自己。

源码解析

Node

        volatile E item; // 元素内容
        volatile Node<E> next; // 指向下一个结点

头结点和尾结点

    private transient volatile Node<E> head; // 头结点
    private transient volatile Node<E> tail; // 尾结点

 入队

    public boolean offer(E e) {
        checkNotNull(e); // 为空，抛出异常
        final Node<E> newNode = new Node<E>(e);

        for (Node<E> t = tail, p = t;;) { // t作为tail的快照，p指向t结点
            Node<E> q = p.next; // q是p的next结点
            if (q == null) { // q为null，说明p是最后一个结点，可以直接插入
                if (p.casNext(null, newNode)) { // 设置新结点为p的next结点
                    if (p != t) // 两跳，更新tail结点
                        casTail(t, newNode); // 失败，表示其他线程更新成功了
                    return true; // 返回
                }
            } else if (p == q) // p结点的next域指向了它自己，此操作在更新head结点时发生，表明此结点及其之前的结点已被删除
                p = (t != (t = tail)) ? t : head; // 如果tail结点已被其他线程更新，则p指向t(tail)结点，否则（tail指针指向已被删除的结点），p指向head结点，跳到头部，指向活着的结点
            else
                p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q; // p指向它的next结点（q），并在2跳时检查tail结点是否更新，如果更新，则指向tail结点
        }
    }

初始队列

一开始，head和tail指针均指向“哑元”结点。

分支一，tail指向最后一个结点，直接插入

插入前

插入后

分支二，tail指向倒数第二个结点

插入前

向后推进，直至达到插入的条件

插入结点，并更新tail指针

分支三，tail滞后于head

插入前

情景1

tail指针未被其他线程更新

 插入后

情景2

tail指针被其他线程更新

 

 插入后

分支三的来历

A和B结点被删除，B结点next域指向自己，head指针更新至结点C

 C结点被删除，head指针指向不变

 接着，D结点被删除，head指针更新至结点E，此时，tail结点滞后于head结点，下图即为分支三初始情况

出队

    public E poll() {
        restartFromHead: for (;;) {
            for (Node<E> h = head, p = h, q;;) { // h作为head的快照，p指向h结点
                E item = p.item; // 获取p的item

                if (item != null && p.casItem(item, null)) { // 如果item不为null, 表示此结点还未删除，尝试将其删除
                    if (p != h) // 两跳，更新一次head结点
                        updateHead(h, ((q = p.next) != null) ? q : p);
                    return item; // 返回此结点item
                } else if ((q = p.next) == null) { // 否则，表示此结点已被删除，则查看其next结点是否存在
                    updateHead(h, p); // 若不存在，则更新head指针指向该结点
                    return null; // 并返回null
                } else if (p == q) // 如果此结点已被删除，并且其next结点不为null，而是指向了自己，表示别的线程已经更新了head指针，为了找到有效结点，则从头开始（转向新的head结点）
                    continue restartFromHead;
                else // 如果此结点已被删除，并且其next结点存在，向后推进，寻找未被删除结点
                    p = q;
            }
        }
    }

分支一，head结点未被删除

删除前

删除后

 

分支二，head结点已被删除，且其next结点不存在

删除后，不变

或者

删除后

分支三，head结点已被删除，并且其next结点存在，并非指向自己

删除前

向后推进

删除后，且更新head结点

分支四，如果此结点已被删除，并且其next结点不为null，而是指向了自己，表示别的线程已经更新了head指针，如分支三

初始，同分支三删除前

向后推进p指针时，其他线程抢先删除结点，并更新了head指针，同分支三删除后

此时，应从头开始，重新获取head指针，进行后续操作。

行文至此结束。

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