多线程之JUC队列与数组

持续创作，加速成长！这是我参与「掘金日新计划 · 10 月更文挑战」的第2天，点击查看活动详情

1 LinkedBlockingQueue

1 入队出队

public class LinkedBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
 implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
 static class Node<E> {
 E item;
 /**
 * 下列三种情况之一
 * - 真正的后继节点
 * - 自己, 发生在出队时
 * - null, 表示是没有后继节点, 是最后了
 */
 Node<E> next;
 Node(E x) { item = x; }
 }
}

初始化链表 last = head = new Node(null); Dummy 节点用来占位，item 为 null.

当一个节点入队 last = last.next = node;

再来一个节点入队 last = last.next = node;

出队

Node<E> h = head;
Node<E> first = h.next;
h.next = h; // help GC
head = first;
E x = first.item;
first.item = null;
return x;

E x = first.item;
first.item = null;
return x;

2 加锁

用了两把锁和 dummy 节点

• 用一把锁，同一时刻，最多只允许有一个线程（生产者或消费者，二选一）执行
• 用一把锁，同一时刻，最多只允许有一个线程（生产者或消费者，二选一）执行
  • 消费者与消费者线程仍然串行
  • 生产者与生产者线程仍然串行

说明:

• 当节点总数大于 2 时（包括 dummy 节点），putLock 保证的是 last 节点的线程安全，takeLock 保证的是 head 节点的线程安全。两把锁保证了入队和出队没有竞争
• 当节点总数等于 2 时（即一个 dummy 节点，一个正常节点）这时候，仍然是两把锁锁两个对象，不会竞争
• 当节点总数等于 1 时（就一个 dummy 节点）这时 take 线程会被 notEmpty 条件阻塞，有竞争，会阻塞

// 用于 put(阻塞) offer(非阻塞)
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();
// 用户 take(阻塞) poll(非阻塞)
private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();

put操作

public void put(E e) throws InterruptedException {
if (e == null) throw new NullPointerException();
 int c = -1;
 Node<E> node = new Node<E>(e);
 final ReentrantLock putLock = this.putLock;
 // count 用来维护元素计数
 final AtomicInteger count = this.count;
 putLock.lockInterruptibly();
 try {
 // 满了等待
 while (count.get() == capacity) {
 // 倒过来读就好: 等待 notFull
 notFull.await();
 }
 // 有空位, 入队且计数加一
 enqueue(node);
 c = count.getAndIncrement(); 
 // 除了自己 put 以外, 队列还有空位, 由自己叫醒其他 put 线程
 if (c + 1 < capacity)
 notFull.signal();
 } finally {
 putLock.unlock();
 }
 // 如果队列中有一个元素, 叫醒 take 线程
 if (c == 0)
 // 这里调用的是 notEmpty.signal() 而不是 notEmpty.signalAll() 是为了减少竞争
 signalNotEmpty();
}

take操作

public E take() throws InterruptedException {
 E x;
 int c = -1;
 final AtomicInteger count = this.count;
 final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
 takeLock.lockInterruptibly();
 try {
 while (count.get() == 0) {
 notEmpty.await();
 }
 x = dequeue();
 c = count.getAndDecrement();
 if (c > 1)
 notEmpty.signal();
 } finally {
 takeLock.unlock();
 }
 // 如果队列中只有一个空位时, 叫醒 put 线程
 // 如果有多个线程进行出队, 第一个线程满足 c == capacity, 但后续线程 c < capacity
 if (c == capacity)
 // 这里调用的是 notFull.signal() 而不是 notFull.signalAll() 是为了减少竞争
 signalNotFull()
 return x;
}

由 put 唤醒 put 是为了避免信号不足

3 性能

LinkedBlockingQueue 与 ArrayBlockingQueue 的性能比较:

• Linked 支持有界，Array 强制有界
• Linked 实现是链表，Array 实现是数组
• Linked 是懒惰的，而 Array 需要提前初始化 Node 数组
• Linked 每次入队会生成新 Node，而 Array 的 Node 是提前创建好的
• Linked 两把锁，Array 一把锁

2 ConcurrentLinkedQueue

ConcurrentLinkedQueue 的设计与 LinkedBlockingQueue类似:

• 两把【锁】，同一时刻，可以允许两个线程同时（一个生产者与一个消费者）执行
• dummy 节点的引入让两把【锁】将来锁住的是不同对象，避免竞争

不同点:

• 只是这【锁】使用了 cas 来实现

Tomcat 的 Connector 结构时，Acceptor 作为生产者向 Poller 消费者传递事件信息时，正是采用了 ConcurrentLinkedQueue 将 SocketChannel 给 Poller 使用.

案例

package cf..concurrent.thirdpart.test;
import java.util.Collection;
import java.util.Iterator;
import java.util.Queue;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
public class Test3 {
 public static void main(String[] args) {
 MyQueue<String> queue = new MyQueue<>();
 queue.offer("1");
 queue.offer("2");
 queue.offer("3");
 System.out.println(queue);
 }
}

class MyQueue<E> implements Queue<E> {
 @Override
 public String toString() {
 StringBuilder sb = new StringBuilder();
 for (Node<E> p = head; p != null; p = p.next.get()) {
 E item = p.item;
 if (item != null) {
 sb.append(item).append("->");
 }
 }
 sb.append("null");
 return sb.toString();
 }
 @Override
 public int size() {
 return 0;
 }
 @Override
 public boolean isEmpty() {
 return false;
 }
 @Override
 public boolean contains(Object o) {
 return false;
 }
 @Override
 public Iterator<E> iterator() {
 return null;
 }
 @Override
 public Object[] toArray() {
 return new Object[0];
 }
 @Override
 public <T> T[] toArray(T[] a) {
 return null;
 }
 @Override
 public boolean add(E e) {
 return false;
 }
 @Override
 public boolean remove(Object o) {
 return false;
 }
 @Override
 public boolean containsAll(Collection<?> c) {
 return false;
 }
 @Override
 public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
 return false;
 }
 @Override
 public boolean removeAll(Collection<?> c) {
 return false;
 }
 @Override
 public boolean retainAll(Collection<?> c) {
 return false;
 }
 @Override
 public void clear() {
 }
 @Override
 public E remove() {
 return null;
 }
 @Override
 public E element() {
 return null;
 }
 @Override
 public E peek() {
 return null;
 }
 public MyQueue() {
 head = last = new Node<>(null, null);
 }
 private volatile Node<E> last;
 private volatile Node<E> head;
 private E dequeue() {
 /*Node<E> h = head;
 Node<E> first = h.next;
 h.next = h;
 head = first;
 E x = first.item;
 first.item = null;
 return x;*/
 return null;
 }
 @Override
 public E poll() {
 return null;
 }
 @Override
 public boolean offer(E e) {
 return true;
 }
 static class Node<E> {
 volatile E item;
 public Node(E item, Node<E> next) {
 this.item = item;
 this.next = new AtomicReference<>(next);
 }
 AtomicReference<Node<E>> next;
 }
}

public boolean offer(E e) {
 Node<E> n = new Node<>(e, null);
 while(true) {
 // 获取尾节点
 AtomicReference<Node<E>> next = last.next;
 // S1: 真正尾节点的 next 是 null, cas 从 null 到新节点
 if(next.compareAndSet(null, n)) {
 // 这时的 last 已经是倒数第二, next 不为空了, 其它线程的 cas 肯定失败
 // S2: 更新 last 为倒数第一的节点
 last = n;
 return true;
 }
 }
}

3 CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArraySet 是它的马甲 底层实现采用了 写入时拷贝 的思想，增删改操作会将底层数组拷贝一份，更 改操作在新数组上执行，这时不影响其它线程的并发读，读写分离。

新增

public boolean add(E e) {
 synchronized (lock) {
 // 获取旧的数组
 Object[] es = getArray();
 int len = es.length;
 // 拷贝新的数组（这里是比较耗时的操作，但不影响其它读线程）
 es = Arrays.copyOf(es, len + 1);
 // 添加新元素
 es[len] = e;
 // 替换旧的数组
 setArray(es);
 return true;
 }
}

上面为Java11版本源码, Java8中是可重入锁.

读取

未加锁

public void forEach(Consumer<? super E> action) {
 Objects.requireNonNull(action);
 for (Object x : getArray()) {
 @SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) x;
 action.accept(e);
 }
}

适合读多写少场景

存在问题

在线程0读取数组, 线程1读取数组, 然后线程1去删除数组元素,线程0任然可以读取数据.

迭代器弱一致性

CopyOnWriteArrayList<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
list.add(1);
list.add(2);
list.add(3);
Iterator<Integer> iter = list.iterator();
new Thread(() -> {
 list.remove(0);
 System.out.println(list);
}).start();
sleep1s();
while (iter.hasNext()) {
 System.out.println(iter.next());
}

• 数据库的 MVCC 都是弱一致性的表现

• 并发高和一致性是矛盾的，需要权衡