java高并发编程：5--ConcurrentLinkedQueue的实现原理分析

1. 引言

    在并发编程中我们有时候需要使用线程安全的队列。如果我们要实现一个线程安全的队列有两种实现方式：一种是使用阻塞算法，另一种是使用非阻塞算法。使用阻塞算法的队列可以用一个锁（入队和出队用同一把锁）或两个锁（入队和出队用不同的锁）等方式来实现，而非阻塞的实现方式则可以使用循环CAS的方式来实现，本文让我们一起来研究下Doug Lea是如何使用非阻塞的方式来实现线程安全队列ConcurrentLinkedQueue的，相信从大师身上我们能学到不少并发编程的技巧。

2. ConcurrentLinkedQueue的介绍

    ConcurrentLinkedQueue是一个基于链接节点的无界线程安全队列，它采用先进先出的规则对节点进行排序，当我们添加一个元素的时候，它会添加到队列的尾部，当我们获取一个元素时，它会返回队列头部的元素。它采用了“wait－free”算法来实现，该算法在Michael & Scott算法上进行了一些修改, Michael & Scott算法的详细信息可以参见参考资料一。

3. ConcurrentLinkedQueue的结构

    我们通过ConcurrentLinkedQueue的类图来分析一下它的结构。

 

    ConcurrentLinkedQueue由head节点和tair节点组成，每个节点（Node）由节点元素（item）和指向下一个节点的引用(next)组成，节点与节点之间就是通过这个next关联起来，从而组成一张链表结构的队列。默认情况下head节点存储的元素为空，tair节点等于head节点。

private transient volatile Node<E> tail = head;

 4. 入队列

    入队列就是将入队节点添加到队列的尾部。为了方便理解入队时队列的变化，以及head节点和tair节点的变化，每添加一个节点我就做了一个队列的快照图。

• 第一步添加元素1。队列更新head节点的next节点为元素1节点。又因为tail节点默认情况下等于head节点，所以它们的next节点都指向元素1节点。
• 第二步添加元素2。队列首先设置元素1节点的next节点为元素2节点，然后更新tail节点指向元素2节点。
• 第三步添加元素3，设置tail节点的next节点为元素3节点。
• 第四步添加元素4，设置元素3的next节点为元素4节点，然后将tail节点指向元素4节点。

    通过debug入队过程并观察head节点和tail节点的变化，发现入队主要做两件事情，第一是将入队节点设置成当前队列尾节点的下一个节点。第二是更新tail节点，如果tail节点的next节点不为空，则将入队节点设置成tail节点，如果tail节点的next节点为空，则将入队节点设置成tail的next节点，所以tail节点不总是尾节点，理解这一点对于我们研究源码会非常有帮助。

    上面的分析让我们从单线程入队的角度来理解入队过程，但是多个线程同时进行入队情况就变得更加复杂，因为可能会出现其他线程插队的情况。如果有一个线程正在入队，那么它必须先获取尾节点，然后设置尾节点的下一个节点为入队节点，但这时可能有另外一个线程插队了，那么队列的尾节点就会发生变化，这时当前线程要暂停入队操作，然后重新获取尾节点。让我们再通过源码来详细分析下它是如何使用CAS算法来入队的。

public boolean offer(E e) {
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    //入队前，创建一个入队节点
    Node<E> n = new Node<E>(e);
    retry:
    //死循环，入队不成功反复入队。
    for (;;) {
        //创建一个指向tail节点的引用
        Node<E> t = tail;
        //p用来表示队列的尾节点，默认情况下等于tail节点。
        Node<E> p = t;
        for (int hops = 0; ; hops++) {
        //获得p节点的下一个节点。
            Node<E> next = succ(p);
        //next节点不为空，说明p不是尾节点，需要更新p后在将它指向next节点
            if (next != null) {
               //循环了两次及其以上，并且当前节点还是不等于尾节点
                if (hops > HOPS && t != tail)
                    continue retry; 
                p = next;
            } 
            //如果p是尾节点，则设置p节点的next节点为入队节点。
            else if (p.casNext(null, n)) {
              //如果tail节点有大于等于1个next节点，则将入队节点设置成tair节点，更新失败了也
没关系，因为失败了表示有其他线程成功更新了tair节点。
                if (hops >= HOPS)
                    casTail(t, n); // 更新tail节点，允许失败
                return true;  
            } 
           // p有next节点,表示p的next节点是尾节点，则重新设置p节点
            else {
                p = succ(p);
            }
        }
    }
}

   从源代码角度来看整个入队过程主要做二件事情。第一是定位出尾节点，第二是使用CAS算法能将入队节点设置成尾节点的next节点，如不成功则重试。

    第一步定位尾节点。tail节点并不总是尾节点，所以每次入队都必须先通过tail节点来找到尾节点，尾节点可能就是tail节点，也可能是tail节点的next节点。代码中循环体中的第一个if就是判断tail是否有next节点，有则表示next节点可能是尾节点。获取tail节点的next节点需要注意的是p节点等于p的next节点的情况，只有一种可能就是p节点和p的next节点都等于空，表示这个队列刚初始化，正准备添加第一次节点，所以需要返回head节点。获取p节点的next节点代码如下