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ConcurrentLinkedQueue在java的原理探究

舞夢輝影

舞夢輝影

发布时间:2025-12-27 10:29:03

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来源于php中文网

原创

ConcurrentLinkedQueue 是基于 CAS 和 volatile 实现的无锁线程安全队列,采用单向链表结构,通过“延迟更新”tail/head、懒删除和自旋重试机制实现高并发性能,但牺牲强一致性,适用于高吞吐、弱一致性可接受场景。

concurrentlinkedqueue在java的原理探究

ConcurrentLinkedQueue 是 Java 中基于无锁(lock-free)算法实现的线程安全队列,核心原理是利用 CAS(Compare-And-Swap)原子操作 + volatile 变量 + 链表结构,在不加锁的前提下保证多线程下的高并发读写性能。

底层是单向链表,节点用 volatile 修饰保证可见性

每个节点(Node)包含 item(元素)和 next(指向后继节点的引用),其中 next 字段被声明为 volatile。这确保了任意线程对 next 的修改能立即被其他线程看到,避免因 CPU 缓存不一致导致的读取旧值问题。item 字段也用 volatile 修饰,但插入成功后会被设为 null(作为已出队标记),这是其“懒删除”设计的一部分。

CAS 驱动入队(offer)和出队(poll)全过程

入队操作不是简单追加到 tail,而是遵循“两步定位 + 一次 CAS”策略:

  • 先尝试在当前 tail 后插入新节点;若失败(tail 已被其他线程更新),就通过跳转到实际尾节点再重试
  • 插入成功后,再尝试 CAS 更新 tail 指针——但这个更新不是必须的,属于“延迟更新”,即 tail 可能滞后于真实尾节点(允许一定误差,提升性能)

出队操作类似:先检查 head.next 是否存在,若存在则 CAS 尝试将 head.item 设为 null(逻辑删除),再 CAS 移动 head 指针;若 head.next 为空(队列空或中间有未清理节点),就通过遍历跳过已删除节点,重新定位有效头结点。

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有锁,但有“自旋 + 重试”机制应对竞争

当多个线程同时操作同一个位置(如同时更新 tail 或 head)时,CAS 失败会触发循环重试(spin loop),直到成功或发现结构已变化需重新探测。这种机制避免了阻塞和上下文切换开销,但也意味着在极高争用下可能带来一定 CPU 消耗。它不提供强一致性保证,比如 size() 方法就只是遍历计数,结果可能瞬间过期——所以官方文档明确建议 size() 仅作估算,不可用于条件判断。

不支持 null 元素,且不保证迭代器强一致性

构造时就禁止插入 null,否则抛 NullPointerException。迭代器采用“快照式”弱一致性设计:遍历时不会抛 ConcurrentModificationException,但可能跳过刚入队的元素,也可能重复返回已被 poll 但尚未完成物理移除的节点(因为节点只逻辑删除,物理链路还在)。这是无锁设计的典型取舍——用一致性换吞吐量。

基本上就这些。它不是万能的,适合高并发、低延迟、容忍弱一致性的场景;如果需要阻塞、精确大小或强一致性,应考虑 LinkedBlockingQueue 或 ArrayBlockingQueue。

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