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发表于 2019-08-26 15:24:39 | 查看: 5033| 回复: 0

java多线程和并发面试题(附答案)第4题

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

java多线程和并发面试题(附答案)第4题_www.wityx.com

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:

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失败的线程会循环一次这时候指针为:

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这时候会执行(3)所以 p=q,然后在循环后指针位置为:

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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:

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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:

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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:

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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

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这个时候添加元素时候指针分布为:

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所以会执行(2)分支 结果 p=head,然后循环,循环后指针分布:

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所以执行(1),然后 p!=t 所以设置 tail 节点。现在分布图:

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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:

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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:

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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:

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cas 失败 后 会再次循环,这时候分布图为:

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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?

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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:

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所以会执行(4)重新跳到外层循环,获取当前 head,现在状态为:

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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:UsersSimpleDesktopTeacherCodeCrm_Testuildclassescom.wityxcrmutil>javap-c Test001

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

public class com.wityx.crm.util.Test001{
    public class com.wityx.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:

第0行指令作用是把值2入栈栈顶元素为2

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第1行指令作用是将栈顶int类型值保存到局部变量t中

第2行指令作用是把值3入栈栈顶元素为3

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第3行指令作用是将栈顶int类型值保存到局部变量tail中。

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

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第8行指令作用是把变量tail中的值入栈

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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

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第10行指令作用是把栈顶元素存放到t,现在栈内容3,2

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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。


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