0

0

Java中的ConcurrentLinkedQueue如何实现无锁队列_CAS算法应用

P粉602998670

P粉602998670

发布时间:2026-03-09 11:14:02

|

287人浏览过

|

来源于php中文网

原创

concurrentlinkedqueue 的线程安全完全依赖 unsafe.compareandsetobject,核心 cas 发生在 tail 和 head 的更新上;offer() 可能需两次 cas(先连节点再推进 tail),poll() 返回 null 不代表队列为空,size() 非实时且不可用于空判断。

java中的concurrentlinkedqueue如何实现无锁队列_cas算法应用

ConcurrentLinkedQueue 的 CAS 操作到底在哪儿发生

它不是靠 synchronized 或 ReentrantLock,所有线程安全逻辑都压在 UNSAFE.compareAndSetObject 上。关键位置只有两处:入队的 tail 更新和出队的 head 更新。每次 offer()poll() 都会循环尝试 CAS,直到成功或发现结构已变(比如 tail 被别的线程改了)。

常见错误现象是:明明队列不为空,poll() 却返回 null。这不是 bug,而是因为当前线程看到的 head 节点还没被前序操作“真正推进”,它还在“逻辑头节点”的前一个傀儡节点上 —— 这正是无锁设计里典型的 ABA 问题缓解策略:用傀儡节点隔离数据节点,避免直接 CAS head 到数据节点引发的判断混乱。

  • tail 不一定指向队尾元素,可能指向倒数第二个节点(为减少 CAS 冲突而延迟更新)
  • head 同样不一定指向第一个有效节点,初始时就是傀儡节点,且长期可能滞留
  • 所有 CAS 失败后都会重新读取最新 tailhead,再重试,不阻塞、不挂起线程

为什么 offer() 有时要走两次 CAS 才能插入成功

因为 ConcurrentLinkedQueue 把“找到尾节点”和“把新节点连上去”拆成了两个独立 CAS 步骤。第一次 CAS 尝试把新节点设为当前 tail.next;如果失败(说明 tail 已过期),就先用第二次 CAS 推进 tail 到更靠后的节点,再重试连接。

这在高并发写场景下很常见:多个线程同时 offer(),都基于同一个旧 tail 值去设置 next,必然只有一个成功,其余全得先帮着“修正 tail”,再继续插。性能影响在于:写吞吐越高,CAS 失败率越高,平均每个元素插入实际执行的原子操作数可能远超 1 次。

立即学习Java免费学习笔记(深入)”;

科大讯飞-AI虚拟主播
科大讯飞-AI虚拟主播

科大讯飞推出的移动互联网智能交互平台,为开发者免费提供:涵盖语音能力增强型SDK,一站式人机智能语音交互解决方案,专业全面的移动应用分析;

下载
  • 单线程下 offer() 几乎总是一次 CAS 完成
  • 多线程争抢时,tail 可能被反复推进,导致某次 offer() 触发 2~3 轮 CAS 循环
  • 没有锁膨胀开销,但 CPU cache line 争用会变明显,尤其在多 socket 机器上

poll() 返回 null 却 size() > 0 是正常现象

这是最常被误认为“队列坏了”的地方。size() 方法本身是遍历链表计数,而 poll() 只负责尝试摘下第一个有效节点。两者完全异步、无同步点。当你看到 size() 返回 5,poll() 却返回 null,大概率是:当前 head 还卡在傀儡节点,而真实第一个数据节点已被别的线程抢先 poll() 并标记为已删除(但尚未推进 head)。

根本原因在于:size() 不保证实时性,也不加任何控制;它只是个尽力而为的快照。JDK 文档明确说它是 O(n) 且“不一定准确”。线上如果用 size() == 0 来判断是否停止消费,一定会漏数据。

  • 永远别用 size() 控制循环或判断空闲状态
  • poll() 返回 null 只代表“此刻没拿到”,不代表“队列空”,需结合业务重试或用 peek() 辅助判断
  • 如果真需要精确大小,自己用 AtomicInteger 配合入队/出队手动维护

add() 和 offer() 行为差异极小,但异常语义不同

两者底层调用的都是同一套 CAS 插入逻辑,性能、内存布局、线程安全性完全一致。唯一区别是:当队列因 JVM 内存不足无法创建新节点时,add() 会抛 IllegalStateException,而 offer() 返回 false。注意,这个异常不是来自并发冲突,而是 new Node() 失败 —— 实际生产中几乎只会在 OOM 前夕出现。

所以选哪个,纯粹看你的错误处理风格:喜欢用异常流控就用 add(),偏好显式状态判断就用 offer()。别指望它们在并发行为上有任何差别。

  • add()offer() 在 CAS 层面调用的是同一个私有方法 enqueue()
  • 没有容量限制,所以永远不会因为“满”而拒绝插入(不像 ArrayBlockingQueue
  • 别被名字误导:add() 不是“加锁版”,offer() 也不是“弱一致性版”

真正难啃的是节点状态的隐式流转:傀儡节点、已删除节点、未连接节点……这些都不暴露给用户,但每一步 CAS 都在和它们博弈。看源码时盯着 casNext()casHead() 两条路径,比死记“无锁=快”有用得多。

热门AI工具

更多
DeepSeek
DeepSeek

幻方量化公司旗下的开源大模型平台

豆包大模型
豆包大模型

字节跳动自主研发的一系列大型语言模型

通义千问
通义千问

阿里巴巴推出的全能AI助手

腾讯元宝
腾讯元宝

腾讯混元平台推出的AI助手

文心一言
文心一言

文心一言是百度开发的AI聊天机器人,通过对话可以生成各种形式的内容。

讯飞写作
讯飞写作

基于讯飞星火大模型的AI写作工具,可以快速生成新闻稿件、品宣文案、工作总结、心得体会等各种文文稿

即梦AI
即梦AI

一站式AI创作平台,免费AI图片和视频生成。

ChatGPT
ChatGPT

最最强大的AI聊天机器人程序,ChatGPT不单是聊天机器人,还能进行撰写邮件、视频脚本、文案、翻译、代码等任务。

相关专题

更多
c语言中null和NULL的区别
c语言中null和NULL的区别

c语言中null和NULL的区别是:null是C语言中的一个宏定义,通常用来表示一个空指针,可以用于初始化指针变量,或者在条件语句中判断指针是否为空;NULL是C语言中的一个预定义常量,通常用来表示一个空值,用于表示一个空的指针、空的指针数组或者空的结构体指针。

253

2023.09.22

java中null的用法
java中null的用法

在Java中,null表示一个引用类型的变量不指向任何对象。可以将null赋值给任何引用类型的变量,包括类、接口、数组、字符串等。想了解更多null的相关内容,可以阅读本专题下面的文章。

1069

2024.03.01

线程和进程的区别
线程和进程的区别

线程和进程的区别:线程是进程的一部分,用于实现并发和并行操作,而线程共享进程的资源,通信更方便快捷,切换开销较小。本专题为大家提供线程和进程区别相关的各种文章、以及下载和课程。

764

2023.08.10

Python 多线程与异步编程实战
Python 多线程与异步编程实战

本专题系统讲解 Python 多线程与异步编程的核心概念与实战技巧,包括 threading 模块基础、线程同步机制、GIL 原理、asyncio 异步任务管理、协程与事件循环、任务调度与异常处理。通过实战示例,帮助学习者掌握 如何构建高性能、多任务并发的 Python 应用。

376

2025.12.24

java多线程相关教程合集
java多线程相关教程合集

本专题整合了java多线程相关教程,阅读专题下面的文章了解更多详细内容。

27

2026.01.21

C++多线程相关合集
C++多线程相关合集

本专题整合了C++多线程相关教程,阅读专题下面的的文章了解更多详细内容。

28

2026.01.21

C# 多线程与异步编程
C# 多线程与异步编程

本专题深入讲解 C# 中多线程与异步编程的核心概念与实战技巧,包括线程池管理、Task 类的使用、async/await 异步编程模式、并发控制与线程同步、死锁与竞态条件的解决方案。通过实际项目,帮助开发者掌握 如何在 C# 中构建高并发、低延迟的异步系统,提升应用性能和响应速度。

103

2026.02.06

页面置换算法
页面置换算法

页面置换算法是操作系统中用来决定在内存中哪些页面应该被换出以便为新的页面提供空间的算法。本专题为大家提供页面置换算法的相关文章,大家可以免费体验。

492

2023.08.14

JavaScript浏览器渲染机制与前端性能优化实践
JavaScript浏览器渲染机制与前端性能优化实践

本专题围绕 JavaScript 在浏览器中的执行与渲染机制展开,系统讲解 DOM 构建、CSSOM 解析、重排与重绘原理,以及关键渲染路径优化方法。内容涵盖事件循环机制、异步任务调度、资源加载优化、代码拆分与懒加载等性能优化策略。通过真实前端项目案例,帮助开发者理解浏览器底层工作原理,并掌握提升网页加载速度与交互体验的实用技巧。

59

2026.03.06

热门下载

更多
网站特效
/
网站源码
/
网站素材
/
前端模板

精品课程

更多
相关推荐
/
热门推荐
/
最新课程
Kotlin 教程
Kotlin 教程

共23课时 | 4.3万人学习

C# 教程
C# 教程

共94课时 | 11万人学习

Java 教程
Java 教程

共578课时 | 79.5万人学习

关于我们 免责申明 举报中心 意见反馈 讲师合作 广告合作 最新更新
php中文网:公益在线php培训,帮助PHP学习者快速成长!
关注服务号 技术交流群
PHP中文网订阅号
每天精选资源文章推送

Copyright 2014-2026 https://www.php.cn/ All Rights Reserved | php.cn | 湘ICP备2023035733号