首先聲明，本文是偽源碼分析。主要是基于狀態機自己實現一個簡化的并發隊列，有助于讀者掌握并發程序設計的核心——狀態機；最后對源碼實現略有提及。

ConcurrentLinkedQueue不支持阻塞，沒有BlockingQueue那么易用；但在中等規模的并發場景下，其性能卻比BlockingQueue高不少，而且相當穩定。同時，ConcurrentLinkedQueue是學習CAS的經典案例。根據github的code results排名，ConcurrentLinkedQueue（164k）也十分流行，比我想象中的使用量大多了。非常值得一講。

對于狀態機和并發程序設計的基本理解，可以參考源碼|并發一枝花之BlockingQueue，建議第一次接觸狀態機的同學速讀參考文章之后，再來閱讀此文章。

JDK版本：oracle java 1.8.0_102

準備知識：CAS

讀者可以跳過這部分，后面講到offer()方法的實現時再回顧。

悲觀鎖與樂觀鎖

• 悲觀鎖：假定并發環境是悲觀的，如果發生并發沖突，就會破壞一致性，所以要通過獨占鎖徹底禁止沖突發生。有一個經典比喻，“如果你不鎖門，那么搗蛋鬼就回闖入并搞得一團糟”，所以“你只能一次打開門放進一個人，才能時刻盯緊他”。
• 樂觀鎖：假定并發環境是樂觀的，即，雖然會有并發沖突，但沖突可發現且不會造成損害，所以，可以不加任何保護，等發現并發沖突后再決定放棄操作還是重試。可類比的比喻為，“如果你不鎖門，那么雖然搗蛋鬼會闖入，但他們一旦打算破壞你就能知道”，所以“你大可以放進所有人，等發現他們想破壞的時候再做決定”。

通常認為樂觀鎖的性能比悲觀所更高，特別是在某些復雜的場景。這主要由于悲觀鎖在加鎖的同時，也會把某些不會造成破壞的操作保護起來；而樂觀鎖的競爭則只發生在最小的并發沖突處，如果用悲觀鎖來理解，就是“鎖的粒度最小”。但樂觀鎖的設計往往比較復雜，因此，復雜場景下還是多用悲觀鎖。

首先保證正確性，有必要的話，再去追求性能。

CAS

樂觀鎖的實現往往需要硬件的支持，多數處理器都都實現了一個CAS指令，實現“Compare And Swap”的語義（這里的swap是“換入”，也就是set），構成了基本的樂觀鎖。

CAS包含3個操作數：

• 需要讀寫的內存位置V
• 進行比較的值A
• 擬寫入的新值B

當且僅當位置V的值等于A時，CAS才會通過原子方式用新值B來更新位置V的值；否則不會執行任何操作。無論位置V的值是否等于A，都將返回V原有的值。

一個有意思的事實是，“使用CAS控制并發”與“使用樂觀鎖”并不等價。CAS只是一種手段，既可以實現樂觀鎖，也可以實現悲觀鎖。樂觀、悲觀只是一種并發控制的策略。下文將分別用CAS實現悲觀鎖和樂觀鎖？
我們先不講JDK提供的實現，用狀態機模型來分析一下，看我們能不能自己實現一版。

隊列的狀態機模型

狀態機模型與是否需要并發無關，一個類不管是否是線程安全的，其狀態機模型從類被實現（此時，所有類行為都是確定的）開始就是確定的。接口是類行為的一個子集，我們從接口出發，逐漸構建出簡化版ConcurrentLinkedQueue的狀態機模型。

隊列接口

ConcurrentLinkedQueue實現了Queue接口：

public interface BlockingQueue<E> extends Queue<E> {
  boolean add(E e);

  boolean offer(E e);

  E remove();

  E poll();

  E element();
  
  E peek();
}

需要關注的是一對方法：

• offer()：入隊，成功返回true，失敗返回false。JDK中ConcurrentLinkedQueue實現為無界隊列，這里我們也只討論無界的情況——因此，offer()方法必返回true。
• poll()：出隊，有元素返回元素，沒有就返回null。

同時，理想的線程安全隊列中，入隊和出隊之間不應該存在競爭，這樣入隊的狀態機模型和出隊的狀態機模型可以完全解耦，互不影響。

對我們的狀態機作出兩個假設：

• 假設1：只支持這入隊、出隊兩種行為。
• 假設2：入隊、出隊之間不存在競爭，即入隊模型與出隊模型是對偶、獨立的兩個狀態機。

從而，可以先分析入隊，再參照分析出隊；然后可嘗試去掉假設2，看如何完善我們的實現來保證假設2成立；最后看看真·神Doug Lea如何實現，學習一波。

狀態機定義

現在基于假設1和假設2，嘗試定義入隊模型的狀態機。

我們構造一個簡化的場景：存在2個生產者P1、P2，同時觸發入隊操作。

狀態集

如果是單線程環境，入隊操作將是這樣的：

// 準備
newNode.next = null;
curTail = tail;

// 入隊前
assert tail == curTail && tail.next == null; // 狀態S1
// 開始入隊
tail.next = newNode; // 事件E1
// 入隊中
assert tail == curTail && tail.next == newNode; // 狀態S2
tail = tail.next; // 事件E2
// 結束入隊
// 入隊后
assert tail == newNode && tail.next == null; // 狀態S3，合并到狀態S1

該過程涉及對兩個域的修改：tail.next、tail。則隨著操作的進行，隊列會經歷2種狀態：

• 狀態S1：事件E1執行前，tail指向實際的尾節點curTail，tail.next==null。如生產者P1、P2都還沒有觸發入隊時，隊列處于狀態S1；生產者P1完成入隊P2還沒觸發入隊時，隊列處于狀態S1。
• 狀態S2：事件E1執行后、E2執行前，tail指向舊的尾節點curTail，tail.next==newNode。
• 狀態S3：事件E2執行后，tail指向新的尾節點newNode，tail.next==null。同狀態S1，合并。

狀態轉換集

兩個事件分別對應兩個狀態轉換：

• 狀態轉換T1：S1->S2，即tail.next = newNode。
• 狀態轉換T2：S2->S1，即tail = tail.next。

是不是很熟悉？因為ConcurrentLinkedQueue也是隊列，必然同BlockingQueue相似甚至相同。區別在于如何維護這些狀態和狀態轉換。

自擼ConcurrentLinkedQueue

依賴CAS，兩個狀態轉換T1、T2都可以實現為原子操作。留給我們的問題是，如何維護合法的狀態轉換。

入隊方法offer()

入隊過程需要經過兩個狀態轉換，且這兩個狀態轉換必須連續發生。

不嚴謹?！斑B續”并不是必要的，最后分析源碼的時候會看到。不過，我們暫時使用強一致性的模型。

思路1：讓同一個生產者P1連續完成兩個狀態轉換T1、T2，保證P2不會插入進來

LinkedBlockingQueue的思路即是如此。這是一種悲觀策略——一次開門只放進來一個生產者，似乎只能像LinkedBlockingQueue那樣，用傳統的鎖putLock實現，實際上，依靠CAS也能實現：

public class ConcurrentLinkedQueue1<E> {
  private volatile Node<E> tail;

  public ConcurrentLinkedQueue1() {
    throw new UnsupportedOperationException("Not implement");
  }

  public boolean offer(E e) {
    Node<E> newNode = new Node<E>(e, new AtomicReference<>(null));
    while (true) {
      Node<E> curTail = tail;
      AtomicReference<Node<E>> curNext = curTail.next;
      // 嘗試T1：CAS設置tail.next
      if (curNext.compareAndSet(null, newNode)) {
        // 成功者視為獲得獨占鎖，完成了T1。直接執行T2：設置tail
        tail = curNext.get();
        return true;
      }
      // 失敗者自旋等待
    }
  }

  private static class Node<E> {
    private volatile E item;
    private AtomicReference<Node<E>> next;

    public Node(E item, AtomicReference<Node<E>> next) {
      this.item = item;
      this.next = next;
    }
  }
}

思路2：生產者P1完成狀態轉換T1后，P2代勞完成狀態轉換T2

再來分析下T1、T2兩個狀態轉換：

• T1涉及newNode，只能由封閉持有newNode的生產者P1完成
• T2只涉及隊列中的信息，任何持有隊列的生產者都有能力完成。P1可以，P2也可以

思路1是悲觀的，認為T1、T2必須都由P1完成，如果P2插入就會“搞破壞”。而思路2則打開大門，歡迎任何“有能力”的生產者完成T2，是典型的樂觀策略。

public class ConcurrentLinkedQueue2<E> {
  private AtomicReference<Node<E>> tail;

  public ConcurrentLinkedQueue2() {
    throw new UnsupportedOperationException("Not implement");
  }

  public boolean offer(E e) {
    Node<E> newNode = new Node<E>(e, new AtomicReference<>(null));
    while (true) {
      Node<E> curTail = tail.get();
      AtomicReference<Node<E>> curNext = curTail.next;
      // 嘗試T1：CAS設置tail.next
      if (curNext.compareAndSet(null, newNode)) {
        // 成功者完成了T1，隊列處于S2，繼續嘗試T2：CAS設置tail
        tail.compareAndSet(curTail, curNext.get());
        // 成功表示該生產者P1完成連續完成了T1、T2，隊列處于S1
        // 失敗表示T2已經由生產者P2完成，隊列處于S1
        return true;
      }
      // 失敗者得知隊列處于S2，則嘗試T2：CAS設置tail
      tail.compareAndSet(curTail, curNext.get());
      // 如果成功，隊列轉換到S1；如果失敗，隊列表示T2已經由生產者P1完成，隊列已經處于S1
      // 然后循環，重新嘗試T1
    }
  }

  private static class Node<E> {
    private volatile E item;
    private AtomicReference<Node<E>> next;

    public Node(E item, AtomicReference<Node<E>> next) {
      this.item = item;
      this.next = next;
    }
  }
}

減少無效的競爭

我們涉及的狀態比較少（只有2個狀態），繼續看看能否減少無效的競爭，比如：

• 前兩種實現的第一步都是CAS嘗試T1，失敗了就退化成一次探查（compare and swap中的compare）。發起CAS前，可能隊列已經處于S2，這時CAS嘗試T1就成了浪費，只需要探查即可。這有點像DCL單例的思路(面試中單例模式有幾種寫法？)，可以直接通過tail.next判斷隊列是否處于S1，來完成一部分探查，以減少無效的競爭。

public class ConcurrentLinkedQueue3<E> {
  private AtomicReference<Node<E>> tail;

  public ConcurrentLinkedQueue3() {
    throw new UnsupportedOperationException("Not implement");
  }

  public boolean offer(E e) {
    Node<E> newNode = new Node<E>(e, new AtomicReference<>(null));
    while (true) {
      Node<E> curTail = tail.get();
      AtomicReference<Node<E>> curNext = curTail.next;

      // 先檢查一下隊列狀態的狀態，tail.next==null表示隊列處于狀態S1，僅此時才有CAS嘗試T1的必要
      if (curNext.get() == null) {
        // 如果處于S1，嘗試T1：CAS設置tail.next
        if (curNext.compareAndSet(null, newNode)) {
          // 成功者完成了T1，隊列處于S2，繼續嘗試T2：CAS設置tail
          tail.compareAndSet(curTail, curNext.get());
          // 成功表示該生產者P1完成連續完成了T1、T2，隊列處于S1
          // 失敗表示T2已經由生產者P2完成，隊列處于S1
          return true;
        }
      }
      // 否則隊列處于處于S2，或CAS嘗試T1的失敗者得知隊列處于S2，則嘗試T2：CAS設置tail
      tail.compareAndSet(curTail, curNext.get());
      // 如果成功，隊列轉換到S1；如果失敗，隊列表示T2已經由生產者P1完成，隊列已經處于S1
      // 然后循環，重新嘗試T1
    }
  }

  private static class Node<E> {
    private volatile E item;
    private AtomicReference<Node<E>> next;

    public Node(E item, AtomicReference<Node<E>> next) {
      this.item = item;
      this.next = next;
    }
  }
}

注意，上述實現中，while代碼塊后都沒有返回值。這是被編譯器允許的，因為編譯器可以分析出，該方法不可能運行到while代碼塊之后，所以while代碼塊后的返回值語句也是無效的。

出隊方法poll()

對偶的構造一個簡化的場景：存在2個消費者C1、C2，同時觸發出隊操作。

不需要考慮悲觀策略和優化方案，我們嘗試基于思路2的第一種實現擼一版基礎的poll()方法。

然后，，，沒擼動。想了一下，樸素鏈表（如LinkedList）中，直接用head表示維護頭結點無法區分“已取出item未移動head指針”和“未取出item未移動head指針”（同“已取出item已移動head指針”）兩種狀態。所以還是寫一寫才知道深淺啊，碰巧前兩天寫了BlockingQueue的分析，dummy node正好派上用場。

隊列初始化如下：

dummy = new Node(null, null);
// tail = dummy; // 后面會用到
// head = dummy.next; // dummy.next 表示實際的頭結點，但我們不需要存儲它

狀態機

單線程環境的出隊過程：

// 準備
curDummy = dummy;
curNext = curDummy.next;
oldItem = curNext.item;

// 出隊前
assert dummy == curDummy && dummy.next.item == oldItem; // 狀態S1
// 開始出隊
dummy.next.item = null; // 事件E1
// 出隊中
assert dummy == curDummy && dummy.next.item == null; // 狀態S2
dummy = dummy.next; // 事件E2
// 結束出隊
// 出隊后
assert dummy == curNext && dummy.next.item != null; // 狀態S3，合并到狀態S1

狀態：

• 狀態S1：事件E1執行前，dummy指向實際的dummy節點curDummy，dummy.next.item== oldItem。如消費者C1、C2都還沒有觸發出隊時，隊列處于狀態S1；消費者C1完成入隊C2還沒觸發出隊時，隊列處于狀態S1。
• 狀態S2：事件E1執行后、E2執行前，dummy指向舊的dummy節點curDummy，dummy.next.item==null。
• 狀態S3：事件E2執行后，dummy指向新的dummy節點curNext，dummy.next.item!=null。這在本質上同狀態S1是一致的，合并。

狀態轉換：

• 狀態轉換T1：S1->S2，即dummy.next.item = null。
• 狀態轉換T2：S2->S1，即dummy = dummy.next。

代碼

public class ConcurrentLinkedQueue4<E> {
  private AtomicReference<Node<E>> dummy;

  public ConcurrentLinkedQueue4() {
    dummy = new AtomicReference<>(new Node<>(null, null));
  }

  public E poll() {
    while (true) {

      Node<E> curDummy = dummy.get();
      Node<E> curNext = curDummy.next;
      E oldItem = curNext.item.get();
      // 嘗試T1：CAS設置dummy.next.item
      if (curNext.item.compareAndSet(oldItem, null)) {
        // 成功者完成了T1，隊列處于S2，繼續嘗試T2：CAS設置dummy
        dummy.compareAndSet(curDummy, curNext);
        // 成功表示該消費者C1完成連續完成了T1、T2，隊列處于S1
        // 失敗表示T2已經由消費者C2完成，隊列處于S1
        return oldItem;
      }
      // 失敗者得知隊列處于S2，則嘗試T2：CAS設置dummy
      dummy.compareAndSet(curDummy, curNext);
      // 如果成功，隊列轉換到S1；如果失敗，隊列表示T2已經由消費者P1完成，隊列已經處于S1
      // 然后循環，重新嘗試T1
    }
  }

  private static class Node<E> {
    private AtomicReference<E> item;
    private volatile Node<E> next;

    public Node(AtomicReference<E> item, Node<E> next) {
      this.item = item;
      this.next = next;
    }
  }
}

另一種狀態機

實際上，前面的討論有意回避了一個問題——如果入隊/出隊操作順序不同，我們會構造出不同的狀態機。這相當于同一個類的另一種實現，不違反前面作出的聲明：

狀態機模型與是否需要并發無關，一個類不管是否是線程安全的，其狀態機模型從類被實現（此時，所有類行為都是確定的）開始就是確定的。

繼續以出隊為例，假設在單線程下，采用這樣的順序出隊：

// 準備
curDummy = dummy;
curNext = curDummy.next;
oldItem = curNext.item;

// 出隊前
assert dummy == curDummy && dummy.item == null; // 狀態S1

// 開始出隊
dummmy = dummy.next; // 事件E1
// 出隊中
assert dummy == curNext && dummy.item == oldItem; // 狀態S2
dummy.item = null; // 事件E2
// 結束出隊

// 出隊后
assert dummy == curNext && dummy.item == null; // 狀態S3，合并到狀態S1

看起來，這樣的操作順序更容易定義各狀態：

• 狀態S1：事件E1執行前，dummy指向實際的dummy節點curDummy，dummy.item == null。如消費者C1、C2都還沒有觸發出隊時，隊列處于狀態S1；消費者C1完成入隊C2還沒觸發出隊時，隊列處于狀態S1。
• 狀態S2：事件E1執行后、E2執行前，dummy指向新的dummy節點curNext，dummy.item == oldItem。
• 狀態S3：事件E2執行后，dummy指向新的dummy節點curNext，dummy.item == null。顯然同狀態S1，合并。

狀態轉換：

• 狀態轉換T1：S1->S2，即dummmy = dummy.next。
• 狀態轉換T2：S2->S1，即dummy.item = null。

實現如下：

public class ConcurrentLinkedQueue5<E> {
  private AtomicReference<Node<E>> dummy;

  public ConcurrentLinkedQueue5() {
    dummy = new AtomicReference<>(new Node<>(null, null));
  }

  public E poll() {
    while (true) {

      Node<E> curDummy = dummy.get();
      Node<E> curNext = curDummy.next;
      E oldItem = curNext.item.get();
      // 嘗試T1：CAS設置dummmy
      if (dummy.compareAndSet(curDummy, curNext)) {
        // 成功者完成了T1，隊列處于S2，繼續嘗試T2：CAS設置dummy.item
        curDummy.item.compareAndSet(oldItem, null);
        // 成功表示該消費者C1完成連續完成了T1、T2，隊列處于S1
        // 失敗表示T2已經由消費者C2完成，隊列處于S1
        return oldItem;
      }
      // 失敗者得知隊列處于S2，則嘗試T2：CAS設置dummy.item
      curDummy.item.compareAndSet(oldItem, null);
      // 如果成功，隊列轉換到S1；如果失敗，隊列表示T2已經由消費者P1完成，隊列已經處于S1
      // 然后循環，重新嘗試T1
    }
  }

  private static class Node<E> {
    private AtomicReference<E> item;
    private volatile Node<E> next;

    public Node(AtomicReference<E> item, Node<E> next) {
      this.item = item;
      this.next = next;
    }
  }
}

一個trick

實現上面狀態機的過程中，我想出了一個針對出隊操作的trick：可以去掉dummy node，用head維護頭結點+一步狀態轉換完成出隊。

對啊，我寫著寫著又擼出來了。。。

去掉了dummy node，那么head.item的初始狀態就是非空的，下面是簡化的狀態機。

單線程出隊的操作順序：

// 準備
curHead = head;
curNext = curHead.next;
oldItem = curHead.item;

// 出隊前
assert head == curHead; // 狀態S1

// 出隊
head = head.next; // 事件E1

// 出隊后
assert head == curNext; // 狀態S2，合并到狀態S1

出隊只需要嘗試head后移，成功者可從舊的頭結點curHead中取出item，之后curHead將被廢棄；失敗者再重新嘗試即可。如果在嘗試前就得到了item的引用，那么E1發生后，不管成功與否，在curHead上做什么都是無所謂的了，因為事實上沒有任何消費者會再去訪問它。

這是一個單狀態的狀態機，則狀態：

• 狀態S1：head指向實際的頭節點curHead。隊列始終處于狀態S1。
• 狀態S2：head指向新的頭節點curNext。同S1，合并

狀態轉換：

• 狀態轉換T1：S1->S1，即head = head.next。

實現如下：

public class ConcurrentLinkedQueue6<E> {
  private AtomicReference<Node<E>> head;

  public ConcurrentLinkedQueue6() {
    throw new UnsupportedOperationException("Not implement");
  }

  public E poll() {
    while (true) {

      Node<E> curHead = head.get();
      Node<E> curNext = curHead.next;
      // 嘗試T1：CAS設置head
      if (head.compareAndSet(curHead, curNext)) {
        // 成功者完成了T1，隊列處于S1
        return curHead.item; // 只讓成功者取出item
      }
      // 失敗者重試嘗試
    }
  }

  private static class Node<E> {
    private volatile E item;
    private volatile Node<E> next;

    public Node(E item, Node<E> next) {
      this.item = item;
      this.next = next;
    }
  }
}

其他特殊情況

前面都是基于假設2“入隊、出隊無競爭”討論的。現在需要放開假設2，看如何完善已有的實現以保證假設2成立?；蛘呷绻荒鼙ＷC假設2的話，如何解決競爭問題。

根據對LinkedBlockingQueue的分析，我們得知，如果底層數據結構是樸素鏈表，那么隊列空或長度為1的時候，head、tail都指向同一個節點（或都為null）,這時必然存在競爭；dummy node較好的解決了這一問題。ConcurrentLinkedQueue4是基于dummy node的方案，我們嘗試在此基礎上修改。

回顧dummy node的使用方法（配合ConcurrentLinkedQueue2和ConcurrentLinkedQueue4做了調整和精簡）:

• 初始化鏈表時，創建dummy node：
  • dummy = new Node(null, null)
  • // head = dummy.next // head 為 null <=> 隊列空
  • tail = dummy // tail.item 為 null <=> 隊列空
• 在隊尾入隊時，tail后移：
  • tail.next = new Node(newItem, null)
  • tail = tail.next
• 在隊頭出隊時，dummy后移，同步更新head：
  • oldItem = dummy.next.item // == head.item
  • dummy.next.item = null
  • dummy = dummy.next
  • // head = dummy.next
  • return oldItem

下面分情況討論。

case1：隊列空

隊列空時，隊列處于一個特殊的狀態，從該狀態出發，僅能完成入隊相關的狀態轉換——通俗講就是隊列空時只允許入隊操作。這時消除競爭很簡單，只允許入隊不允許出隊即可：

public class ConcurrentLinkedQueue7<E> {
  private AtomicReference<Node<E>> dummy;
  private AtomicReference<Node<E>> tail;

  public ConcurrentLinkedQueue7() {
    Node<E> initNode = new Node<E>(
        new AtomicReference<E>(null), new AtomicReference<Node<E>>(null));
    dummy = new AtomicReference<>(initNode);
    tail = new AtomicReference<>(initNode);
    // Node<E> head = dummy.get().next.get();
  }

  public boolean offer(E e) {
    Node<E> newNode = new Node<E>(new AtomicReference<>(e), new AtomicReference<>(null));
    while (true) {
      Node<E> curTail = tail.get();
      AtomicReference<Node<E>> curNext = curTail.next;
      if (curNext.compareAndSet(null, newNode)) {
        tail.compareAndSet(curTail, curNext.get());
        return true;
      }
      tail.compareAndSet(curTail, curNext.get());
    }
  }

  public E poll() {
    while (true) {
      Node<E> curDummy = dummy.get();
      Node<E> curNext = curDummy.next.get();
      // 既可以用 dummy.next == null (head) 判空，也可以用 tail.item == null
      // 不過鑒于處于poll()方法中，使用 dummy.next 可讀性更好
      if (curNext == null) {
        return null;
      }
      E oldItem = curNext.item.get();
      if (curNext.item.compareAndSet(oldItem, null)) {
        dummy.compareAndSet(curDummy, curNext);
        return oldItem;
      }
      dummy.compareAndSet(curDummy, curNext);
    }
  }

  private static class Node<E> {
    private AtomicReference<E> item;
    private AtomicReference<Node<E>> next;

    public Node(AtomicReference<E> item, AtomicReference<Node<E>> next) {
      this.item = item;
      this.next = next;
    }
  }
}

ConcurrentLinkedQueue7需要原子的操作item和next，因此Node的item、next域都被聲明為了AtomicReference。

隊列空的時候：offer()方法同ConcurrentLinkedQueue2#offer()，不需要做特殊處理；poll()方法在ConcurrentLinkedQueue4#poll()的基礎上，增加了32-34行的隊列空檢查。需要注意的是，檢查必須放在隊列轉換的過程中，防止消費者C2第一次嘗試時隊列非空，但第二次嘗試時隊列變空（由于C1取出了唯一的元素）的情況。

case2：隊列長度等于1

隊列長度等于1時，入隊與出隊不會同時修改同一節點，這時一定不會發生競爭。分析如下。

假設存在一個生產者P1，一個消費者C1，同時觸發入隊/出隊，隊列中只有一個元素，所以只兩個節點dummyNode、singleNode則此時：

assert dummy == dummyNode;
assert dummy.next.item == singleNode.item;

assert tail == singleNode;
assert tail.next == singleNode.next;

回顧ConcurrentLinkedQueue7的實現:

• poll()方法修改引用dummy、singleNode.item
• offer()方法操tail、singleNode.next

因此，由于dummy node的引入，隊列長度為1時，入隊、出隊之間天生就不存在競爭。

小結

至此，我們從最簡單的場景觸發，基于狀態機實現了一個支持高性能offer()、poll()方法的ConcurrentLinkedQueue7。CAS的好處暫且不表，重要的是基于狀態機進行并發程序設計的思想。只有抓住其狀態機的本質，才能設計出正確、高效的并發類。

如果還是沒有體會到狀態機的精妙之處，可以拋開狀態機，并自己嘗試基于樂觀策略實現ConcurrentLinkedQueue。（之所以要基于樂觀策略，是因為悲觀策略可以認為是樂觀策略的是特例，容易讓人忽略其狀態機的本質）

JDK實現

希望看到這里，你已經理解了ConcurrentLinkedQueue的狀態機本質，因為下面就不再是本文的重點。

真·神Doug Lea的實現基于一個弱一致性的狀態機：允許隊列處于多種不一致的狀態，通過恰當的選擇“不一致的狀態”，能做到用戶無感；雖然增加了狀態機的復雜度，但也進一步提高了性能。

網上分析文章非常多，讀者可自行閱讀，有一定難度。本文不打算講解Doug Lea的實現，貼出源碼僅供大家膜拜。

構造方法

常用的是默認的空構造函數：

public class ConcurrentLinkedQueue<E> extends AbstractQueue<E>
        implements Queue<E>, java.io.Serializable {
...
    private transient volatile Node<E> head;
    private transient volatile Node<E> tail;
    public ConcurrentLinkedQueue() {
        head = tail = new Node<E>(null);
    }
...
}

Doug Lea也使用了dummy node，不過命名為了head。初始化方法同我們實現的ConcurrentLinkedQueue7。

入隊方法offer()

ConcurrentLinkedQueue7#offer()相當于ConcurrentLinkedQueue#offer()的一個特例。

public boolean offer(E e) {
    checkNotNull(e);
    final Node<E> newNode = new Node<E>(e);

    for (Node<E> t = tail, p = t;;) {
        Node<E> q = p.next;
        if (q == null) {
            if (p.casNext(null, newNode)) {
                if (p != t)
                    casTail(t, newNode);
                return true;
            }
        }
        else if (p == q)
            p = (t != (t = tail)) ? t : head;
        else
            p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q;
    }
}

具體來講，ConcurrentLinkedQueue允許的多個狀態大體是這樣的：

• 狀態S1：一致；newNode已銜接在tail.next，但tail指向倒數第1個節點
• 狀態S2：不一致；newNode已銜接在tail.next，但tail指向倒數第2個節點
• 狀態S3：不一致；newNode已銜接在tail.next，但tail指向倒數第3個節點
• ...

狀態轉換的規則也隨之打破——不再需要連續完成T1、T2，可以連續執行多次類T1，最后執行一次類T2。

for循環中的幾個分支就是在處理這些一致和不一致的狀態。我們前面定義的狀態機空間中只允許狀態S1、S2，因此是一個子集。增加的這些不一致的狀態主要是為了減少CAS次數，進一步提高隊列性能，這包含兩個重要意義：

• 降低延遲：部分入隊請求不再需要走完完整的狀態轉換，只需要循環到tail.next.cas(null, newNode)成功。
• 提高吞吐：之前每一次入隊請求都要設置一次tail節點；目前只需要積攢幾次入隊，在某個新的newNode入隊時，直接嘗試tail.cas(t, newNode)，將tail跳躍到最新的newNode。

增加這些不一致的狀態是很危險的，如S3，當隊列長度為1的時候，tail與head的位置存在交叉。Doug Lea牛逼之處在于，在保證正確性的前提下，不僅通過增加狀態提高了性能，還減少了實際的CAS次數。

出隊方法poll()

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

            if (item != null && p.casItem(item, null)) {
                if (p != h)
                    updateHead(h, ((q = p.next) != null) ? q : p);
                return item;
            }
            else if ((q = p.next) == null) {
                updateHead(h, p);
                return null;
            }
            else if (p == q)
                continue restartFromHead;
            else
                p = q;
        }
    }
}
final void updateHead(Node<E> h, Node<E> p) {
    if (h != p && casHead(h, p))
        h.lazySetNext(h);
}

分析方法類似于offer()。注意下updateHead()。

未完

本來是想分析ConcurrentLinkedQueue源碼的，沒想到寫完狀態機就3600多字了，干貨卻不多。前路漫漫，源碼咱下回見。

本文鏈接：源碼|并發一枝花之ConcurrentLinkedQueue【偽】
作者：猴子007
出處：https://monkeysayhi.github.io
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