多线程的无锁链表

 前面,为了使得写操作快速进行,我们定义了顺序锁。但是顺序锁有个缺点,那就是处理的数据不能是指针,否则可能会导致exception。那么有没有办法使得处理的数据包括指针呢?当然要是这个链表没有锁,那就更好了。

    针对这种无锁链表,我们可以初步分析一下,应该怎么设计呢?   

    (1)读操作没有锁,那么怎么判断读操作正在进行呢,只能靠标志位了;

    (2)写操作没有锁,那么读操作只能一个线程完成;

    (3)写操作中如果是添加,那么直接加在末尾即可;

    (4)写操作中如果是删除,那么应该先删除数据,然后等到当前没有操作访问删除数据时,释放内存,但是首节点不能删除。


    普通链表的结构为,

[cpp]  view plain copy
  1. typedef struct _LINK  
  2. {  
  3.     int data;  
  4.     struct _LINK* next;  
  5. }LINK;  
    假设此时有32个线程在访问链表,那么可以定义一个全局变量value,每一个bit表示一个thread,读操作怎么进行呢,

[cpp]  view plain copy
  1. void read_process()  
  2. {  
  3.     int index = get_index_from_threadid(GetThreadId());  
  4.     InterLockedOr(&value, 1 << index);  
  5.     /* read operation */  
  6.     InterLockedAnd(&value, ~(1<< index));      
  7. }  
    那么,写操作怎么进行呢,

[cpp]  view plain copy
  1. void write_process_add(LINK* pHead, LINK* pLink)  
  2. {  
  3.     /* add link to the tail of list */  
  4. }  
  5.   
  6. void write_process_del(LINK* pHead, LINK* pLink)  
  7. {  
  8.     delete_link_from_list(pHead, pLink);  
  9.     while(1){  
  10.         if(0 == value)  
  11.             break;  
  12.          Sleep(100);  
  13.     }  
  14.   
  15.     free(pLink);  
  16. }  
    其中链表的删除操作为,

[cpp]  view plain copy
  1. /* 
  2. *  From:   
  3. *    ->   a  ->  b -> c -> d 
  4. * 
  5. *  To: 
  6. *        ----------------- 
  7. *        |               V 
  8. *    ->  a        b  ->  c ->d  
  9. *                                
  10. */  


总结:

    (1)这种无锁链表有很多局限:多读少写、注意使用原子操作、不能删除头结点、数据只能添加到尾部、注意删除顺序和方法、读线程个数有限制等等;

    (2)写操作在操作前需要等待所有的读操作,否则有可能发生异常;

    (3)写操作不能被多个线程使用;

    (4)无锁链表应用范围有限,只是特殊情况下的一种方案而已。

<think>好的,我现在需要帮助用户解决在Java中实现线程安全的有序链表的问题。首先,我要回想用户的问题,用户之前提到了ConcurrentHashMap和相关的线程安全数据结构,现在他需要的是有序链表的线程安全实现。 首先,Java标准库中并没有直接提供线程安全的有序链表实现。常见的线程安全列表如CopyOnWriteArrayList,但它是有序的但基于数组,且适合读多写少的场景,可能不适合频繁插入的有序链表。所以可能需要用户自己实现。 接下来,我需要考虑如何设计这样的数据结构。有序链表通常需要保持元素按某种顺序排列,插入和删除操作需要遍历链表找到正确位置。线程安全的关键在于同步机制的选择。 用户之前提到ConcurrentHashMap在JDK1.8中使用了CAS和synchronized,锁粒度更细。或许可以借鉴这种思想。对于链表,每个节点可能需要独立的锁,或者使用乐观锁。但细粒度锁实现起来复杂,容易出错。 另一种方法是使用读写锁,比如ReentrantReadWriteLock。这样,多个读操作可以并行,但写操作会独占锁。这可能提高读性能,但写操作频繁时会有瓶颈。 或者,可以使用synchronized关键字对整个插入方法加锁,这样实现简单,但并发性能差。不过对于轻量级应用可能足够。 然后,我需要考虑如何实现插入操作。有序链表的插入需要找到正确的位置,可能需要遍历节点,然后调整指针。在遍历过程中需要保持线程安全,防止其他线程修改结构。 可能的实现步骤包括: 1. 定义节点结构,包含数据和next指针。 2. 使用锁机制保护修改操作。比如,每次插入时,使用synchronized块锁定相关节点,或者使用全局锁。 3. 处理并发插入时的竞争条件,比如两个线程同时插入到同一位置,需要确保顺序正确。 另外,参考用户提到的ConcurrentHashMap,在JDK1.8中它使用CAS和synchronized结合,或许可以为每个节点使用CAS操作,但链表结构可能难以直接应用CAS,因为涉及到多个指针的更新。 比如,在插入时,需要找到前驱和后继节点,然后修改前驱的next指针。这个过程如果使用CAS,可能需要先检查前驱的next是否仍然指向后继,如果是,则更新。这类似于无锁链表的实现,但实现起来较为复杂。 用户可能需要权衡实现的复杂度和性能需求。如果并发量不是特别高,使用全局锁可能更简单。如果追求高并发,可能需要分段锁或无锁结构。 此外,还需要考虑迭代和查找操作是否需要线程安全。比如,在遍历链表时,其他线程可能正在修改链表,导致不一致的视图。可以使用快照或者额外的同步机制来处理。 最后,总结可能的实现方案: 1. 使用synchronized方法或代码块,保证操作的原子性。 2. 使用读写锁分离读和写操作。 3. 尝试无锁编程,使用原子类如AtomicReference实现节点的CAS操作。 需要提醒用户不同方案的优缺点,比如简单实现可能性能较低,而无锁实现复杂但性能更好。同时,可以建议参考Java中的ConcurrentLinkedQueue,虽然它是队列,但使用了无锁算法,可能提供灵感。 可能还需要考虑边界条件,如头节点的插入、删除操作,以及内存一致性等问题。例如,使用volatile关键字保证节点的可见性。 最后,生成相关问题,比如如何优化性能,或者比较不同锁机制的效果,或者如何处理并发迭代的问题。</think>### Java实现线程安全的有序链表 在Java中实现线程安全的有序链表,需结合同步机制与链表操作逻辑。以下是两种常见实现方案: --- #### **方案1:基于`synchronized`的全局锁** 通过`synchronized`关键字对插入、删除等操作加锁,保证线程安全。 **实现步骤**: 1. 定义链表节点: ```java class Node<T extends Comparable<T>> { T data; Node<T> next; Node(T data) { this.data = data; } } ``` 2. 使用全局锁控制插入逻辑: ```java public class SynchronizedSortedLinkedList<T extends Comparable<T>> { private Node<T> head; private final Object lock = new Object(); public void insert(T value) { synchronized (lock) { Node<T> newNode = new Node<>(value); if (head == null || head.data.compareTo(value) >= 0) { newNode.next = head; head = newNode; } else { Node<T> current = head; while (current.next != null && current.next.data.compareTo(value) < 0) { current = current.next; } newNode.next = current.next; current.next = newNode; } } } } ``` **优点**:实现简单,逻辑清晰。 **缺点**:并发性能低,所有操作串行化[^2]。 --- #### **方案2:基于读写锁(`ReentrantReadWriteLock`)** 分离读/写操作,允许多线程并发读取,但写入时独占锁。 ```java public class ReadWriteLockSortedLinkedList<T extends Comparable<T>> { private Node<T> head; private final ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock(); public void insert(T value) { lock.writeLock().lock(); try { // 插入逻辑与方案1类似 } finally { lock.writeLock().unlock(); } } public boolean contains(T value) { lock.readLock().lock(); try { Node<T> current = head; while (current != null) { if (current.data.equals(value)) return true; current = current.next; } return false; } finally { lock.readLock().unlock(); } } } ``` **优点**:读操作可并行,适合读多写少场景。 **缺点**:写操作仍串行化,频繁写入时性能受限[^2]。 --- #### **方案3:无锁实现(基于CAS)** 利用`AtomicReference`实现无锁插入,类似`ConcurrentLinkedQueue`[^1]: ```java public class LockFreeSortedLinkedList<T extends Comparable<T>> { private AtomicReference<Node<T>> head = new AtomicReference<>(); public void insert(T value) { Node<T> newNode = new Node<>(value); while (true) { Node<T> currentHead = head.get(); if (currentHead == null || currentHead.data.compareTo(value) >= 0) { newNode.next = currentHead; if (head.compareAndSet(currentHead, newNode)) break; } else { Node<T> current = currentHead; while (current.next != null && current.next.data.compareTo(value) < 0) { current = current.next; } newNode.next = current.next; if (current.next == null || current.next.compareAndSet(current.next, newNode)) break; } } } } ``` **优点**:高并发性能,无锁竞争。 **缺点**:实现复杂,需处理ABA问题,调试困难。 --- ### 方案对比 | 方案 | 性能 | 实现复杂度 | 适用场景 | |-----------|--------|-------|------------------| | 全局锁 | 低 | 简单 | 低并发或简单场景 | | 读写锁 | 中等 | 中等 | 读多写少场景 | | 无锁CAS | 高 | 复杂 | 高并发,需极致性能 | ---
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