ConcurrentLinkedQueue代码解析

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 ConcurrentLinkedQueue<E> extends AbstractQueue<E>
        implements Queue<E>, 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 Queue<E> extends Collection<E> {

    // 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<E> {
        volatile E item;
        volatile Node<E> 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 Node<E> head;
// 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<E> 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 Node<E> succ(Node<E> p) {
        Node<E> 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 (Node<E> p = 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 (Node<E> p = 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<E>(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.Node<E>
      newNode = new java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue.Node<E>(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<E> t = tail, p = t;;) {
    // 将p的next赋值给q, p.next -> q
    java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue.Node<E> 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.Node<E> h = 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();
  }
}