JAVA 无锁队列/栈

最新推荐文章于 2021-09-08 00:10:40 发布

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分类专栏：多线程文章标签： java 多线程

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/meiyongdesan/article/details/106414902

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本文探讨了JAVA无锁队列/栈的实现原理和测试，包括无锁的CAP比较和交换机制、无锁队列的实现、CountDownLatch的简单介绍及其在测试中的应用。通过出队、入队、出栈、入栈的并发测试，验证了无锁数据结构在多线程环境中的线程安全性。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

概述

在多线程应用场景下，一般需要在代码中实现加锁/解锁操作来确保线程安全。在某些情况下，锁的处理会给程序带了很大的性能影响。在这种情况下，我们就考虑无锁操作即在不加锁的情况下，依旧能保证线程的安全执行。

JAVA 无锁队列/栈的实现

本篇就以下六个模块展开讨论：

无锁的原理
无锁队列的实现
CountDownLatch简单介绍
无锁队列的测试
无锁栈的实现
无锁栈的测试

1、无锁的原理

无锁的实现原理是 “CAP”(Campare and swap)。翻译过来即“比较和交换”。

关于 CAP 的实现原理本篇我们不详细展开论述，在后面的文章专门介绍。下面主要介绍一下 CAP 的核心方法：compareAndSet ()。

在代码中该方法一般是这样调用的：

a.compareAndSet(oldValue, newValue)

其中 oldValue 表示老值，newValue 表示新值，该方法执行的结果有以下两种：

如果变量a的值此时和 oldValue 相等，那么将 newValue 赋予它，并返回 True。
如果变量a的值此时和 oldValue 不相等，那么它不做任何操作，并返回 False。

其中为了进行循环判断，该方法一般和while循环结合使用，这也就是我们常称的 自旋锁。

锁的作用是保证同一时刻最多只能有一个线程操作某块内存，其他线程只能等到该线程处理完毕后进行读写操作。

无锁是无法保证某块内存在同一时刻不被多个线程共享，它是在写内存过程前提供一个期望值，如果期望值与当前值相等，说明该线程上一次读取值之后，没有其他线程对这块内存进行处理，也就是说该操作是线程安全的

通过上面的概述其实我们不难发现，无锁还是存在以下隐患的：即操作的内存被其他线程操作两次，最终又返回原值时，无锁是无法判断是否有线程处理过该块内存的，但这种场景一般不影响结果。

举例：变量a = 5，现在有两个线程处理变量a，线程1要将它的值+5，线程2要将它的值+10，我们使用无锁来模拟这种场景下可能产生的情况：

2、无锁队列的实现

这里我直接贴出代码，通过注释的方式列举出每种操作对应的场景：

public class CapQueue<V> {
   

    /**
     * 模拟队列中的节点，通过 next属性相连接
     *
     * @param <V>
     */
    private class Node<V> {
   
        // 具体的值
        private V value;
        // 模拟队列中节点相连接
        private AtomicReference<Node<V>> next;

        public Node(V value, Node<V> next) {
   
            this.value = value;
            this.next = new AtomicReference<>(next);
        }
    }

    /**
     * 队列头，其中 head不计算在队列中
     */
    private AtomicReference<Node<V>> head = null;
    /**
     * 队列尾，标记队尾元素
     */
    private AtomicReference<Node<V>> tail = null;
    /**
     * 队列大小
     */
    private AtomicInteger queueSize = new AtomicInteger(0);

    public CapQueue() {
   
        // 初始化队列头和尾
        Node<V> node = new Node<>(null, null);
        head = new AtomicReference<>(node);
        tail = new AtomicReference<>(node);
    }

    /**
     * 入队操作
     *
     * @param value
     */
    public void enQueue(V value) {
   
        Node<V> newNode = new Node<>(value, null);
        Node