如何一步步实现非阻塞线程安全队列 ConcurrentLinkedQueue？

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2024-01-01 15:34:48

非阻塞线程安全队列的优势

非阻塞线程安全队列具有以下优势：

高性能： 由于非阻塞队列不需要使用锁，因此具有更高的吞吐量和更低的延迟。
可扩展性： 非阻塞队列可以在多核系统上充分利用 CPU 资源，具有良好的可扩展性。
可靠性： 非阻塞队列不会出现死锁或饥饿问题，具有更高的可靠性。

如何实现非阻塞线程安全队列？

数据结构

非阻塞线程安全队列通常使用链表作为底层数据结构。链表具有以下特点：

插入和删除操作的时间复杂度为 O(1) ：这使得链表非常适合用于队列的实现。
链表可以动态增长和缩小 ：这使得链表非常适合用于处理可变大小的数据。

算法

非阻塞线程安全队列的算法非常简单，主要包括以下步骤：

使用 CAS 操作更新队列头和尾指针 ：CAS 操作是一种原子操作，可以保证多个线程同时操作队列头和尾指针时不会出现数据损坏的问题。
使用 volatile 修饰队列头和尾指针 ：volatile 关键字可以保证多个线程同时访问队列头和尾指针时能够看到最新的值。

实现细节

非阻塞线程安全队列的实现细节非常复杂，主要包括以下几个方面：

CAS 操作的实现 ：CAS 操作的实现依赖于底层硬件的支持。在 Java 中，CAS 操作可以通过 sun.misc.Unsafe 类来实现。
volatile 关键字的实现 ：volatile 关键字的实现依赖于底层硬件的支持。在 Java 中，volatile 关键字可以通过 Java 虚拟机来实现。
内存屏障 ：内存屏障是一种特殊的指令，可以保证在内存屏障之前和之后执行的指令按顺序执行。内存屏障可以防止指令重排序导致的数据不一致问题。

剧情反转

令人惊讶的是，ConcurrentLinkedQueue 并不是真正的非阻塞队列。它实际上使用了一种叫做 “伪共享” 的技术来实现无锁操作。伪共享是指两个线程同时访问同一个缓存行的数据时，会导致这两个线程的缓存行失效，从而导致这两个线程都必须从内存中重新加载数据。ConcurrentLinkedQueue 利用伪共享来避免使用锁，从而实现了无锁操作。