如下是 Java 集合体系架构图，近期几期内容都是围绕该体系进行知识讲解，以便于同学们学习 Java 集合篇知识能够系统化而不零散。
前言
在多线程编程中，由于线程之间的竞争，导致多线程访问数据时容易出现数据不一致的问题，为了解决这个问题，Java 提供了一些线程安全的数据结构，其中之一就是 ConcurrentLinkedQueue，它是一个非阻塞的线程安全队列。
摘要
本文主要介绍 ConcurrentLinkedQueue 的源代码解析、应用场景案例、优缺点分析、类代码方法介绍
ConcurrentLinkedQueue
简介
ConcurrentLinkedQueue 是一个线程安全的队列，它的特点是非阻塞，也就是说当队列为空时，出队操作不会阻塞线程，而是立即返回 null。同时，它也不允许插入 null 元素。
ConcurrentLinkedQueue 是一个基于链接节点的无界线程安全队列。它采用了先进先出的原则，对于并发访问，它采取了一种无锁算法（lock-free），实现了高效率的并发操作。它通过 CAS 操作实现了“原子操作”，保证了线程安全。
源代码解析
ConcurrentLinkedQueue 的源代码中，最重要的是 Node 类和 head、tail 两个节点。每个节点代表队列中的一个元素，节点中除了存储元素外，还包含了指向下一个节点的指针。
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); }
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); } }}
复制代码
在队列中 head 和 tail 是两个 Node 节点，其中 head 代表队列中最先入队的元素，tail 代表队列中最后入队的元素。head 和 tail 节点中的 next 指针指向队列中的下一个元素，通过这样的方式将整个队列串起来，实现了队列的操作。
public class ConcurrentLinkedQueue<E> extends AbstractQueue<E> implements Queue<E>, java.io.Serializable { private transient volatile Node<E> head; private transient volatile Node<E> tail;
public ConcurrentLinkedQueue() { head = tail = new Node<E>(null); }
private void updateHead(Node<E> h, Node<E> p) { if (h != p && casHead(h, p)) h.lazySetNext(h); }
private void updateTail(Node<E> t, Node<E> p) { if (t != p && casTail(t, p)) t.lazySetNext(p); }
boolean casHead(Node<E> cmp, Node<E> val) { return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, headOffset, cmp, val); }
boolean casTail(Node<E> cmp, Node<E> val) { return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, tailOffset, cmp, val); }
private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE; private static final long headOffset; private static final long tailOffset;
static { try { UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe(); Class<?> k = ConcurrentLinkedQueue.class; headOffset = UNSAFE.objectFieldOffset (k.getDeclaredField("head")); tailOffset = UNSAFE.objectFieldOffset (k.getDeclaredField("tail")); } catch (Exception e) { throw new Error(e); } }}
复制代码
应用场景案例
ConcurrentLinkedQueue 的应用场景很广泛，它可以作为多线程环境下的任务队列，也可以作为消息队列、日志队列等。下面以一个简单的任务队列为例进行说明。
public class TaskQueue { private ConcurrentLinkedQueue<Task> queue;
public TaskQueue() { queue = new ConcurrentLinkedQueue<>(); }
public void addTask(Task task) { queue.offer(task); }
public void executeTasks() { if (queue.isEmpty()) { return; } Task task = null; while ((task = queue.poll()) != null) { task.execute(); } }}
复制代码
在上述代码中，我们定义了一个 TaskQueue 类，它包含了一个 ConcurrentLinkedQueue 对象，用于存储任务。addTask()方法用于向队列中添加任务，executeTasks()方法用于执行队列中的任务。当队列为空时，直接返回。否则，使用 poll()方法从队列中取出一个任务执行，直到队列中的任务全部被执行完成。
优缺点分析
优点
高并发性：ConcurrentLinkedQueue 的实现采用了无锁算法，相比于同步队列的加锁操作，它在高并发场景下的性能更优；
无阻塞：当队列为空时，出队操作不会阻塞线程，而是立即返回 null；
线程安全：ConcurrentLinkedQueue 是线程安全的，不需要我们手动进行同步。
缺点
类代码方法介绍
offer(E e)
插入指定元素作为此队列的末尾（最后一个元素）。如果队列为空，则插入位于队头（第一个元素）。
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); // Failure is OK. return true; } } else if (p == q) p = (t != (t = tail)) ? t : head; else p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q; }}
复制代码
poll()
获取并移除此队列的头。
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) // Hop two nodes at a time 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; } }}
复制代码
size()
返回队列中的元素数量。
public int size() { int count = 0; for (Node<E> p = first(); p != null; p = succ(p)) if (p.item != null) ++count; return count;}
复制代码
isEmpty()
判断队列是否为空。
public boolean isEmpty() { return first() == null;}
复制代码
contains(Object o)
判断队列中是否包含指定元素。
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;}
复制代码
add(E e)
插入指定元素作为此队列的末尾。与 offer()方法相同。
public boolean add(E e) { return offer(e);}
复制代码
remove()
获取并移除此队列的头。与 poll()方法相同。
public E remove() { E x = poll(); if (x != null) return x; else throw new NoSuchElementException();}
复制代码
element()
获取但不移除此队列的头。与 peek()方法相同。
public E element() { E x = peek(); if (x != null) return x; else throw new NoSuchElementException();}
复制代码
测试用例
我们可以编写如下测试用例来验证ConcurrentLinkedQueue的正确性。
测试代码
下面是一个简单的示例代码，使用了ConcurrentLinkedQueue创建了一个线程安全的队列，并对其进行了读写测试：
package com.example.javase.collection;
import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;
/** * @Author ms * @Date 2023-10-22 18:57 */public class ConcurrentLinkedQueueTest { public static void main(String[] args) { ConcurrentLinkedQueue<String> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();
// 添加元素 queue.offer("Java"); queue.offer("Python"); queue.offer("C++");
// 输出队列元素 System.out.println("Queue elements: " + queue);
// 获取并移除队列头部元素 String headElement = queue.poll(); System.out.println("Head element: " + headElement);
// 输出队列元素 System.out.println("Queue elements after polling: " + queue);
// 获取队列头部元素 String peekElement = queue.peek(); System.out.println("Peek element: " + peekElement);
// 输出队列元素 System.out.println("Queue elements after peeking: " + queue); }}
复制代码
期望输出结果如下：
Queue elements: [Java, Python, C++]Head element: JavaQueue elements after polling: [Python, C++]Peek element: PythonQueue elements after peeking: [Python, C++]
复制代码
接下来我们可以在本地执行一下这个测试用例，以作为检验是否能够将其预期结果正确输出。
测试结果
根据如上测试用例，本地测试结果如下，仅供参考，你们也可以自行修改测试用例或者添加更多的测试数据或测试方法，进行熟练学习以此加深理解。
如上测试用例执行后，经肉眼验证与预期结果是一致！
测试代码分析
根据如上测试用例，在此我给大家进行深入详细的解读一下测试代码，以便于更多的同学能够理解并加深印象。 如上代码是一个使用ConcurrentLinkedQueue实现的队列的示例代码。ConcurrentLinkedQueue是一个线程安全的无界队列，它采用了无锁算法来实现高效的并发操作。在该示例中，首先创建了一个ConcurrentLinkedQueue对象，并通过调用 offer()方法向队列中添加了 3 个元素。然后，分别演示了 poll()方法和 peek()方法的使用，它们分别用于获取并移除队列头部元素和获取队列头部元素，最终输出了操作后的队列元素。
小结
ConcurrentLinkedQueue 是一个线程安全的队列，它采用了先进先出的原则，对于并发访问，它采取了一种无锁算法（lock-free），实现了高效率的并发操作。它通过 CAS 操作实现了“原子操作”，保证了线程安全。
ConcurrentLinkedQueue 的应用场景很广泛，它可以作为多线程环境下的任务队列，也可以作为消息队列、日志队列等。
总结
ConcurrentLinkedQueue 是一个基于链接节点的无界线程安全队列；
支持先进先出原则，采用无锁算法实现高效的并发操作；
不支持随机访问和元素排序；
适用于多线程环境下的任务队列、消息队列等；
具有高并发性、无阻塞、线程安全等优点。
... ...
评论