Java同時実行コレクションの詳細な説明

この記事では主に Java 同時実行コレクション ConcurrentLinkedQueue を紹介します。必要な方は、

ConcurrentLinkedQueue の紹介を参照してください。

ConcurrentLinkedQueue は、「高同時実行」に適したスレッドセーフなキューです。シナリオ。

これは、FIFO (先入れ先出し) 原則に従って要素を並べ替える、リンク ノードに基づく無制限のスレッドセーフ キューです。 Null 要素をキュー要素に配置することはできません (内部的に実装された特別なノードを除く)。

ConcurrentLinkedQueueの原理とデータ構造

ConcurrentLinkedQueueのデータ構造は以下の図に示すとおりです。

説明:

1. ConcurrentLinkedQueueはAbstractQueueを継承します。

2. ConcurrentLinkedQueue はリンク リストを通じて内部的に実装されます。これには、リンクされたリストの先頭ノード head と末尾ノード tail の両方が含まれます。 ConcurrentLinkedQueue は、FIFO (先入れ先出し) 原則に従って要素を並べ替えます。要素はリンク リストの末尾から挿入され、先頭から返されます。

3. ConcurrentLinkedQueue のリンク リスト ノードの次の型は揮発性であり、リンク リスト データ項目の型も揮発性です。 volatile に関しては、そのセマンティクスに次のようなことがわかっています。「つまり、volatile 変数を読み取ると、(どのスレッドでも) この volatile 変数への最後の書き込みを常に確認できます。」 ConcurrentLinkedQueue は volatile を使用して、複数のスレッドによる競合リソースへの相互排他的アクセスを実現します。

ConcurrentLinkedQueue関数一覧

// 创建一个最初为空的 ConcurrentLinkedQueue。
ConcurrentLinkedQueue()
// 创建一个最初包含给定 collection 元素的 ConcurrentLinkedQueue，按照此 collection 迭代器的遍历顺序来添加元素。
ConcurrentLinkedQueue(Collection<? extends E> c)
// 将指定元素插入此队列的尾部。
boolean add(E e)
// 如果此队列包含指定元素，则返回 true。
boolean contains(Object o)
// 如果此队列不包含任何元素，则返回 true。
boolean isEmpty()
// 返回在此队列元素上以恰当顺序进行迭代的迭代器。
Iterator<E> iterator()
// 将指定元素插入此队列的尾部。
boolean offer(E e)
// 获取但不移除此队列的头；如果此队列为空，则返回 null。
E peek()
// 获取并移除此队列的头，如果此队列为空，则返回 null。
E poll()
// 从队列中移除指定元素的单个实例（如果存在）。
boolean remove(Object o)
// 返回此队列中的元素数量。
int size()
// 返回以恰当顺序包含此队列所有元素的数组。
Object[] toArray()
// 返回以恰当顺序包含此队列所有元素的数组；返回数组的运行时类型是指定数组的运行时类型。
<T> T[] toArray(T[] a)

以下では、ConcurrentLinkedQueueを作成、追加、削除の側面から分析します。

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の作成 以下はConcurrentLinkedQueue()を使って説明します。

public ConcurrentLinkedQueue() {
 head = tail = new Node<E>(null);
}

説明: コンストラクターでは、新しい「nullコンテンツを持つノード」が作成され、headとtailの値が新しいノードとして設定されます。

head と tail は次のように定義されます:

private transient volatile Node<E> head;
private transient volatile Node<E> tail;

head と tail はどちらも volatile 型であり、volatile によって与えられる意味を持ちます: 「つまり、volatile 変数を読み取ると、常に (任意のスレッドを) "最後に見ることができます"揮発性変数に書き込みます。」

Node の宣言は次のとおりです:

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);
 }
 // Unsafe mechanics
 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);
 }
 }
}

説明:

Node は一方向のリンク リスト ノードであり、next は次のノードを指すために使用され、item はデータを格納するために使用されます。 Node でノード データを操作するための API はすべて、Unsafe メカニズムの CAS 関数を通じて実装されます。たとえば、casNext() は CAS 関数を通じて「ノードの次のノードを比較して設定します」。

2. 追加

以下では、例として add(E e) を使用して ConcurrentLinkedQueue での追加を説明します。

public boolean add(E e) {
 return offer(e);
}

説明: add() は実際に Offer() を呼び出して、追加操作を完了します。

offer() のソースコードは次のとおりです:

public boolean offer(E e) {
 // 检查e是不是null，是的话抛出NullPointerException异常。
 checkNotNull(e);
 // 创建新的节点
 final Node<E> newNode = new Node<E>(e);

 // 将“新的节点”添加到链表的末尾。
 for (Node<E> t = tail, p = t;;) {
 Node<E> q = p.next;
 // 情况1：q为空
 if (q == null) {
  // CAS操作：如果“p的下一个节点为null”(即p为尾节点)，则设置p的下一个节点为newNode。
  // 如果该CAS操作成功的话，则比较“p和t”(若p不等于t，则设置newNode为新的尾节点)，然后返回true。
  // 如果该CAS操作失败，这意味着“其它线程对尾节点进行了修改”，则重新循环。
  if (p.casNext(null, newNode)) {
  if (p != t) // hop two nodes at a time
   casTail(t, newNode); // Failure is OK.
  return true;
  }
 }
 // 情况2：p和q相等
 else if (p == q)
  p = (t != (t = tail)) ? t : head;
 // 情况3：其它
 else
  p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q;
 }
}

説明: offer(E e) の機能は、要素 e をリンクされたリストの末尾に追加することです。 Offer() の比較は、for ループ を理解するために、3 つの状況を区別して分析してみましょう。

ケース 1 -- q が空です。これは、q が末尾ノードの次のノードであることを意味します。このとき、p.casNext(null, newNode) で「p の次のノードを newNode」に設定します。設定が成功したら、「p と t」を比較します (p が t に等しくない場合は、newNode を新しい末尾ノードに設定します)。 )、その後 true を返します。それ以外の場合 (「他のスレッドが末尾ノードを変更した」ことを意味します)、何もせず、for ループを続行します。

p.casNext(null, newNode) は、p を操作するために CAS を呼び出します。 「p の次のノードが null に等しい」場合は、「p の次のノードが newNode に等しい」を設定します。設定が成功した場合は true を返し、失敗した場合は false を返します。

ケース 2 -- p と q が等しい。これはいつ起こりますか? 「ケース 3」を通じて、「ケース 3」の処理後、p の値が q に等しくなる可能性があることがわかります。

この時点で、末尾ノードが変化していない場合は、ヘッド ノードが変化しているはずです。p をヘッド ノードとして設定し、リンクされたリストを再度走査します。そうでない場合は (末尾ノードが変化した場合)、p を次のように設定します。テールノード。

ケース 3 -- その他。

p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q; を次のコードに変換します。

if (p==t) {
 p = q;
} else {
 Node<E> tmp=t;
 t = tail;
 if (tmp==t) {
 p=q;
 } else {
 p=t;
 }
}

p と t が等しい場合、p を q に設定します。それ以外の場合は、「末尾ノードが変化したかどうか」を判断し、変化がない場合は p を q に設定し、変化がない場合は p を末尾ノードに設定します。

checkNotNull() のソース コードは次のとおりです。

private static void checkNotNull(Object v) {
 if (v == null)
 throw new NullPointerException();
}

3. 削除

以下では、ConcurrentLinkedQueue での削除を示す例として、poll() を使用します。

public E poll() {
 // 设置“标记”
 restartFromHead:
 for (;;) {
 for (Node<E> h = head, p = h, q;;) {
  E item = p.item;

  // 情况1
  // 表头的数据不为null，并且“设置表头的数据为null”这个操作成功的话;
  // 则比较“p和h”(若p!=h，即表头发生了变化，则更新表头，即设置表头为p)，然后返回原表头的item值。
  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;
  }
  // 情况2
  // 表头的下一个节点为null，即链表只有一个“内容为null的表头节点”。则更新表头为p，并返回null。
  else if ((q = p.next) == null) {
  updateHead(h, p);
  return null;
  }
  // 情况3
  // 这可能到由于“情况4”的发生导致p=q，在该情况下跳转到restartFromHead标记重新操作。
  else if (p == q)
  continue restartFromHead;
  // 情况4
  // 设置p为q
  else
  p = q;
 }
 }
}

说明：poll()的作用就是删除链表的表头节点，并返回被删节点对应的值。poll()的实现原理和offer()比较类似，下面根将or循环划分为4种情况进行分析。

情况1：“表头节点的数据”不为null，并且“设置表头节点的数据为null”这个操作成功。

p.casItem(item, null) -- 调用CAS函数，比较“节点p的数据值”与item是否相等，是的话，设置节点p的数据值为null。

在情况1发生时，先比较“p和h”，若p!=h，即表头发生了变化，则调用updateHead()更新表头；然后返回删除节点的item值。

updateHead()的源码如下：

final void updateHead(Node<E> h, Node<E> p) {
 if (h != p && casHead(h, p))
 h.lazySetNext(h);
}

说明：updateHead()的最终目的是更新表头为p，并设置h的下一个节点为h本身。

casHead(h,p)是通过CAS函数设置表头，若表头等于h的话，则设置表头为p。

lazySetNext()的源码如下：

void lazySetNext(Node<E> val) {
 UNSAFE.putOrderedObject(this, nextOffset, val);
}

putOrderedObject()函数，我们在前面一章“TODO”中介绍过。h.lazySetNext(h)的作用是通过CAS函数设置h的下一个节点为h自身，该设置可能会延迟执行。

情况2：如果表头的下一个节点为null，即链表只有一个“内容为null的表头节点”。

则调用updateHead(h, p)，将表头更新p；然后返回null。

情况3：p=q

在“情况4”的发生后，会导致p=q；此时，“情况3”就会发生。当“情况3”发生后，它会跳转到restartFromHead标记重新操作。

情况4：其它情况。

设置p=q。

ConcurrentLinkedQueue示例

import java.util.*;
 import java.util.concurrent.*;
 /*
 * ConcurrentLinkedQueue是“线程安全”的队列，而LinkedList是非线程安全的。
 *
 * 下面是“多个线程同时操作并且遍历queue”的示例
 * (01) 当queue是ConcurrentLinkedQueue对象时，程序能正常运行。
 * (02) 当queue是LinkedList对象时，程序会产生ConcurrentModificationException异常。
 *
 *
 */
 public class ConcurrentLinkedQueueDemo1 {
 // TODO: queue是LinkedList对象时，程序会出错。
 //private static Queue<String> queue = new LinkedList<String>();
 private static Queue<String> queue = new ConcurrentLinkedQueue<String>();
 public static void main(String[] args) {
  // 同时启动两个线程对queue进行操作！
  new MyThread("ta").start();
  new MyThread("tb").start();
 }
 private static void printAll() {
  String value;
  Iterator iter = queue.iterator();
  while(iter.hasNext()) {
  value = (String)iter.next();
  System.out.print(value+", ");
  }
  System.out.println();
 }
 private static class MyThread extends Thread {
  MyThread(String name) {
  super(name);
  }
  @Override
  public void run() {
   int i = 0;
  while (i++ < 6) {
   // “线程名” + "-" + "序号"
   String val = Thread.currentThread().getName()+i;
   queue.add(val);
   // 通过“Iterator”遍历queue。
   printAll();
  }
  }
 }
 }

(某一次)运行结果：

ta1, ta1, tb1, tb1,
ta1, ta1, tb1, tb1, ta2, ta2, tb2, 
tb2, 
ta1, ta1, tb1, tb1, ta2, ta2, tb2, tb2, ta3, tb3, 
ta3, ta1, tb3, tb1, ta4, 
ta2, ta1, tb2, tb1, ta3, ta2, tb3, tb2, ta4, ta3, tb4, 
tb3, ta1, ta4, tb1, tb4, ta2, ta5, 
tb2, ta1, ta3, tb1, tb3, ta2, ta4, tb2, tb4, ta3, ta5, tb3, tb5, 
ta4, ta1, tb4, tb1, ta5, ta2, tb5, tb2, ta6, 
ta3, ta1, tb3, tb1, ta4, ta2, tb4, tb2, ta5, ta3, tb5, tb3, ta6, ta4, tb6, 
tb4, ta5, tb5, ta6, tb6,

结果说明：如果将源码中的queue改成LinkedList对象时，程序会产生ConcurrentModificationException异常。

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