JUC集合: ConcurrentLinkedQueue详解

ConcurrentLinkedQueue 是 Java 并发包（java.util.concurrent）中提供的一个线程安全的无界非阻塞队列，它实现了 Queue接口，并可广泛用于并发环境下的队列操作。它通过非阻塞算法确保线程安全，提供高效的并行访问性能。

ConcurrentLinkedQueue的特点：

1. 线程安全与非阻塞性能：

   • ConcurrentLinkedQueue 内部使用基于链接节点的无锁算法实现，这意味着在多线程同时进行插入或删除操作时，不会出现资源竞争导致的线程阻塞现象。
   • 它使用 CAS（compare-and-swap）操作来保证节点的原子性修改，从而在保证线程安全的同时，减少了锁竞争，提高了性能。

2. 无界队列：

   • 由于是基于链接节点的队列，理论上它是没有固定大小限制的，可以根据需要动态地增长。

3. FIFO（先入先出）结构：

   • ConcurrentLinkedQueue 保证了元素的排列顺序，最先插入的元素将会被最先移除。

ConcurrentLinkedQueue的主要操作：

• add(E e) / offer(E e) ：

  • 这两个方法都是用来向队列尾部插入元素。在 ConcurrentLinkedQueue 中，这两个方法基本上相同，因为它不限制队列的大小，所以添加操作一般不会失败。

• poll() ：

  • 该方法用于移除并返回队列头部的元素。如果队列为空，返回 null。

• peek() ：

  • 该方法返回队列头部的元素但不移除它。如果队列为空，同样返回 null。

ConcurrentLinkedQueue的内部工作原理：

ConcurrentLinkedQueue 内部是由一系列通过 next链接的节点组成的。每一个节点包含两个主要的属性：存储的数据和指向下一个节点的单向链接。队列中维护着两个原子变量 head 和 tail，分别指向队列的头部和尾部。但是，tail 可能会滞后于队列的实际末尾，因为更新 tail 的操作可能会与其他线程的更新操作并发执行。

进行插入（offer/add）操作时，算法将尝试在队列尾部添加新的节点。如果多个线程同时操作，CAS 会确保只有一个线程可以成功地完成节点更改，而其他线程将重试操作直到成功。

移除（poll）操作会从头部开始移动。但由于其他线程可能同时进行插入或移除操作，poll 方法需要正确确定队列的当前头部。如果遇到其他线程已经移除的节点，poll 方法会使用CAS来修正头部指针，并重试操作。

总结：

ConcurrentLinkedQueue 是一个适合于高并发场景的非阻塞队列。在设计上，它使用 CAS 操作和线程安全的无锁算法来避免锁机制带来的性能问题。无锁的数据结构通常在多处理器系统上有更好的伸缩性，因为线程通常不需要等待或者竞争锁，这就降低了上下文切换的开销，从而提供了高效的并行性。

与此同时，它的无界特性在使用时需要注意，因为过多的数据累积可能会导致内存消耗过大。合理应用 ConcurrentLinkedQueue 不仅可以提升应用性能，还能提高程序在并发环境下的可靠性。在实际的开发过程中，合理选择适当的并发容器对于构建高效稳定的系统至关重要。