Java多线程和并发面试题（附答案）第4题

4、ConcurrentLinkedQueue非阻塞无界链表队列

ConcurrentLinkedQueue是一个线程安全的队列，基于链表结构实现，是一个无界队列，理论上来说队列的长度可以无限扩大。与其他队列相同，ConcurrentLinkedQueue也采用的是先进先出（FIFO）入队规则，对元素进行排序。当我们向队列中添加元素时，新插入的元素会插入到队列的尾部；而当我们获取一个元素时，它会从队列的头部中取出。因为ConcurrentLinkedQueue是链表结构，所以当入队时，插入的元素依次向后延伸，形成链表；而出队时，则从链表的第一个元素开始获取，依次递增；

值得注意的是，在使用ConcurrentLinkedQueue时，如果涉及到队列是否为空的判断，切记不可使用size()==0的做法，因为在size()方法中，是通过遍历整个链表来实现的，在队列元素很多的时候，size()方法十分消耗性能和时间，只是单纯的判断队列为空使用isEmpty()即可。

public class ConcurrentLinkedQueueTest {
    public static int threadCount = 10;
    public static ConcurrentLinkedQueue<String> queue = new ConcurrentLinkedQueue<String>();
    static class Offer implements Runnable {
        public void run() {
            //不建议使用 queue.size()==0，影响效率。可以使用!queue.isEmpty()
            if (queue.size() == 0) {
                String ele = new Random().nextInt(Integer.MAX_VALUE) + "";
                queue.offer(ele);
                System.out.println("入队元素为" + ele);
            }
        }
    }
    static class Poll implements Runnable {
        public void run() {
            if (!queue.isEmpty()) {
                String ele = queue.poll();
                System.out.println("出队元素为" + ele);
            }
        }
    }
    public static void main(String[] agrs) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(4);
        for (int x = 0; x < threadCount; x++) {
            executorService.submit(new Offer());
            executorService.submit(new Poll());
        }
        executorService.shutdown();
    }
}

一种输出：

入队元素为313732926

出队元素为313732926

入队元素为812655435

出队元素为812655435

入队元素为1893079357

出队元素为1893079357

入队元素为1137820958

出队元素为1137820958

入队元素为1965962048

出队元素为1965962048

出队元素为685567162

入队元素为685567162

出队元素为1441081163

入队元素为1441081163

出队元素为1627184732

入队元素为1627184732

ConcurrentLinkedQuere类图

如图ConcurrentLinkedQueue中有两个volatile类型的Node节点分别用来存在列表的首尾节点，其中head节点存放链表第一个item为null的节点，tail则并不是总指向最后一个节点。Node节点内部则维护一个变量item用来存放节点的值，next用来存放下一个节点，从而链接为一个单向无界列表。

public ConcurrentLinkedQueue(){
    head=tail=new Node<E>(null);
}

如上代码初始化时候会构建一个 item 为 NULL 的空节点作为链表的首尾节点。

Offer 操作offer 操作是在链表末尾添加一个元素，下面看看实现原理。

public boolean offer(E e) {
    //e 为 null 则抛出空指针异常
    checkNotNull(e);
    //构造 Node 节点构造函数内部调用 unsafe.putObject，后面统一讲
    final Node<E> newNode = new Node<E>(e);
    //从尾节点插入
    for (Node<E> t = tail, p = t; ; ) {
        Node<E> q = p.next;
        //如果 q=null 说明 p 是尾节点则插入
        if (q == null) {
            //cas 插入（1）
            if (p.casNext(null, newNode)) {
                //cas 成功说明新增节点已经被放入链表，然后设置当前尾节点（包含 head，1，3，5.。。个节点为尾节点）
                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)//(2)
            //多线程操作时候，由于 poll 时候会把老的 head 变为自引用，然后 head 的 next 变为新 head，所以这里需要
            //重新找新的 head，因为新的 head 后面的节点才是激活的节点
            p = (t != (t = tail)) ? t : head;
        else
            // 寻找尾节点(3)
            p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q;
    }
}

从构造函数知道一开始有个item为null的哨兵节点，并且head和tail都是指向这个节点。

如图首先查找尾节点，q==null，p就是尾节点，所以执行p.casNext通过cas设置p的next为新增节点，这时候p==t所以不重新设置尾节点为当前新节点。由于多线程可以调用offer方法，所以可能两个线程同时执行到了（1）进行cas，那么只有一个会成功（假如线程1成功了），成功后的链表为：

失败的线程会循环一次这时候指针为：

这时候会执行（3）所以 p=q，然后在循环后指针位置为：

 

所以没有其他线程干扰的情况下会执行（1）执行 cas 把新增节点插入到尾部，没有干扰的情况下线程 2 cas 会成功，然后去更新尾节点 tail，由于 p!=t 所以更新。这时候链表和指针为：

假如线程 2cas 时候线程 3 也在执行，那么线程 3 会失败，循环一次后，线程 3 的节点状态为：

这时候 p!=t ；并且 t 的原始值为 told，t 的新值为 tnew ，所以 told!=tnew，所以 p=tnew=tail

然后在循环一下后节点状态：

q==null 所以执行（1）。

现在就差 p==q 这个分支还没有走，这个要在执行 poll 操作后才会出现这个情况。poll 后会存在下面的状态

这个时候添加元素时候指针分布为：

所以会执行（2）分支 结果 p=head，然后循环，循环后指针分布：

所以执行(1)，然后 p!=t 所以设置 tail 节点。现在分布图：

自引用的节点会被垃圾回收掉。

● add 操作

add操作是在链表末尾添加一个元素，下面看看实现原理。

其实内部调用的还是 offer

public boolean add(E e) {
    return offer(e);
}

● poll 操作

poll 操作是在链表头部获取并且移除一个元素，下面看看实现原理。

public E poll() {
    restartFromHead:
    // 死 循 环
    for (; ; ) {
        //死循环
        for (Node<E> h = head, p = h, q;
                ; ) {
            //保存当前节点值
            E item = p.item;
            //当前节点有值则 cas 变为 null（1）
            if (item != null && p.casItem(item， null)){
                //cas 成功标志当前节点以及从链表中移除
                if (p != h) // 类似 tail 间隔 2 设置一次头节点（2）
                    updateHead(h, ((q = p.next) != null) ? q : p);
                return item;
            }
            //当前队列为空则返回 null（3）
        else if ((q = p.next) == null) {
                updateHead(h, p);
                return null;
            }
            //自引用了，则重新找新的队列头节点（4）
            else if (p == q)
                continue restartFromHead;
            else//(5)
                p = q;
        }
    }
}
final void updateHead(Node<E> h,Node<E> p){
    if(h!=p&&casHead(h,p))
        h.lazySetNext(h);
}

● 当队列为空时候：

可知执行（3）这时候有两种情况，第一没有其他线程添加元素时候(3)结果为 true 然后因为 h!=p 为 false 所以直接返回 null。第二在执行 q=p.next 前，其他线程已经添加了一个元素到队列，这时候（3）返回 false，然后执行（5）p=q，然后循环后节点分布：

这时候执行（1）分支，进行 cas 把当前节点值值为 null，同时只有一个线程会成功，cas 成功 标示该节点从队列中移除了，然后 p!=h，调用 updateHead 方法，参数为 h，p;h!=p 所以把 p 变为当前链表 head 节点，然后 h 节点的 next 指向自己。现在状态为：

cas 失败 后 会再次循环，这时候分布图为：

这时候执行（3）返回 null.

现在还有个分支（4）没有执行过，那么什么时候会执行那？

这时候执行（1）分支，进行 cas 把当前节点值值为 null，同时只有一个线程 A 会成功，cas 成功  标示该节点从队列中移除了，然后 p!=h，调用 updateHead 方法，假如执行 updateHead 前另外一个线程 B 开始 poll 这时候它 p 指向为原来的 head 节点，然后当前线程 A 执行 updateHead 这时候 B 线程链表状态为：

所以会执行（4）重新跳到外层循环，获取当前 head，现在状态为：

● peek 操作

peek 操作是获取链表头部一个元素（只读取不移除），下面看看实现原理。

代码与 poll 类似，只是少了 castItem.并且 peek 操作会改变 head 指向，offer 后 head 指向哨兵节点，第一次 peek 后 head 会指向第一个真的节点元素。

public E peek() {
    restartFromHead:
    for (; ; ) {
        for (Node<E> h = head, p = h, q; ; ) {
            E item = p.item;
            if (item != null || (q = p.next) == null) {
                updateHead(h, p);
                return item;
            } else if (p == q)
                continue restartFromHead;
            else
                p = q;
        }
    }
}

● size 操作

获取当前队列元素个数，在并发环境下不是很有用，因为使用 CAS 没有加锁所以从调用 size 函数到返回结果期间有可能增删元素，导致统计的元素个数不精确。

public int size() {
    int count = 0;
    for (Node<E> p = first(); p != null; p = succ(p))
        if (p.item != null)
            // 最大返回 Integer.MAX_VALUE
            if (++count == Integer.MAX_VALUE) break;
    return count;
}

//获取第一个队列元素（哨兵元素不算），没有则为 null
Node<E> first() {
    restartFromHead:
    for (; ; ) {
        for (Node<E> h = head, p = h, q; ; ) {
            boolean hasItem = (p.item != null);
            if (hasItem || (q = p.next) == null) {
                updateHead(h, p);
                return hasItem ? p : null;
            } else if (p == q)
                continue restartFromHead;
            else
                p = q;
        }
    }
}
//获取当前节点的 next 元素，如果是自引入节点则返回真正头节点
final Node<E> succ(Node<E> p) {
    Node<E> next = p.next;
    return (p == next) ? head : next;
}

 ● remove 操作

如果队列里面存在该元素则删除该元素，如果存在多个则删除第一个，并返回 true，否则返回 false

ublic boolean remove(Object o){
    //查找元素为空，直接返回 false
    if(o==null)return false;
    Node<E> pred=null;
    for(Node<E> p=first();p!=null;p=succ(p)){
        E item=p.item;
        //相等则使用 cas 值 null，同时一个线程成功，失败的线程循环查找队列中其他元素是否有匹配的。
        if(item!=null&&o.equals(item)&&p.casItem(item,null)){
            //获取 next 元素
            Node<E> next=succ(p);
            //如果有前驱节点，并且 next 不为空则链接前驱节点到 next，
            if(pred!=null&&next!=null)
                pred.casNext(p,next);
            return true;
        }
        pred=p;
    }
    return false;
}

● contains 操作

判断队列里面是否含有指定对象，由于是遍历整个队列，所以类似 size 不是那么精确，有可能调用该方法时候元素还在队列里面，但是遍历过程中才把该元素删除了，那么就会返回 false.

public boolean contains(Object o) {
    if (o == null) return false;
    for (Node<E> p = first(); p != null; p = succ(p)) {
        E item = p.item;
        if (item != null && o.equals(item)) return true;
    }
    return false;
}

关于ConcurrentLinkedQuere的offer方法有意思的问题：

offer 中有个 判断 t != (t = tail）假如 t=node1;tail=node2;并且 node1!=node2 那么这个判断是 true 还是 false 那，答案是 true，这个判断是看当前 t 是不是和 tail 相等，相等则返回 true 否者为 false，但是无论结果是啥执行后 t 的值都是 tail。

下面从字节码来分析下为啥。

举一个例子：

public static void main(String[] args){
        int t=2;
        int tail=3;
        System.out.println(t!=(t=tail));
}

结果为：true

字节码文件：

C：\Users\Simple\Desktop\TeacherCode\Crm_Test\build\classes\com\bjpowernode\crm\util>javap-c Test001

警告：二进制文件Test001包含com.bjpowernode.crm.util.Test001 Compiled from"Test001.java"

public class com.bjpowernode.crm.util.Test001{
    public class com.bjpowernode.crm.util.Test001();
        Code:
        0:aload_0
        1:invokespecial #8    // Method java/lang/Object."<init>"：()V
        4:return

    public static void main(java.lang.String[]){
        Code:
        0:iconst_2
        1:istore_1
        2:iconst_3
        3:istore_2
        4:getstatic    #16    // Field java/lang/System.out：Ljava/io/PrintStream;
        7:iload_1
        8:iload_2
        9:dup
        10:istore_1
        11:if_icmpeq 18
        14:iconst_1
        15:goto 19
        18:iconst_0
        19:invokevirtual #22    // Method java/io/PrintStream.println：(Z)V
        22:return
}

我们从上面main方法的字节码文件中分析

一开始栈为空：

栈

第0行指令作用是把值2入栈栈顶元素为2

栈

第1行指令作用是将栈顶int类型值保存到局部变量t中

栈

第2行指令作用是把值3入栈栈顶元素为3

栈

第3行指令作用是将栈顶int类型值保存到局部变量tail中。

栈

第4调用打印命令

第7行指令作用是把变量t中的值入栈

栈

第8行指令作用是把变量tail中的值入栈

栈

现在栈里面的元素为3、2，并且3位于栈顶

第9行指令作用是当前栈顶元素入栈，所以现在栈内容3，3，2

栈

第10行指令作用是把栈顶元素存放到t，现在栈内容3，2

栈

第11行指令作用是判断栈顶两个元素值，相等则跳转18。由于现在栈顶严肃为3，2不相等所以返回true.

第14行指令作用是把1入栈

然后回头分析下!=是双目运算符，应该是首先把左边的操作数入栈，然后在去计算了右侧操作数。

● ConcurrentLinkedQuere总结

ConcurrentLinkedQueue使用CAS非阻塞算法实现使用CAS解决了当前节点与next节点之间的安全链接和对当前节点值的赋值。由于使用CAS没有使用锁，所以获取size的时候有可能进行offer，poll或者remove操作，导致获取的元素个数不精确，所以在并发情况下size函数不是很有用。另外第一次peek或者first时候会把head指向第一个真正的队列元素。

下面总结下如何实现线程安全的，可知入队出队函数都是操作volatile变量：head，tail。所以要保证队列线程安全只需要保证对这两个Node操作的可见性和原子性，由于volatile本身保证可见性，所以只需要看下多线程下如果保证对着两个变量操作的原子性。

对于offer操作是在tail后面添加元素，也就是调用tail.casNext方法，而这个方法是使用的CAS操作，只有一个线程会成功，然后失败的线程会循环一下，重新获取tail，然后执行casNext方法。对于poll也是这样的。