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ConcurrentLinkedQueue原理_基于无锁算法实现的高性能并发队列

P粉602998670

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发布时间:2026-02-11 10:51:10

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来源于php中文网

原创

concurrentlinkedqueue 通过 cas 指令和 atomicreference 实现无锁,入队出队不加锁,仅对节点指针做原子操作;失败重试、高吞吐但 cpu 消耗大,适用于松耦合生产者-消费者场景。

concurrentlinkedqueue原理_基于无锁算法实现的高性能并发队列

ConcurrentLinkedQueue 是怎么做到无锁

它靠的是 CAS(Compare-And-Swap)指令 + 原子引用更新,整个入队、出队过程不加 synchronized 也不用 ReentrantLock。核心是把链表节点的 next 字段声明为 AtomicReference,所有指针移动都通过 compareAndSet 尝试推进。

不是“完全没锁”,而是把锁的粒度降到单个节点指针级别;失败就重试,不阻塞线程。这带来高吞吐,但也意味着在极端竞争下可能反复 CAS 失败,消耗 CPU。

  • 只适用于「生产者-消费者」松耦合场景,不适合需要强顺序或严格 FIFO 语义的业务逻辑
  • size() 方法不可靠——它要遍历链表,过程中其他线程可能正在修改,返回值只是快照,不能用于条件判断
  • 不支持 null 元素,插入 null 会直接抛 NullPointerException

offer() 和 poll() 的实际行为差异

offer() 总是返回 true(除非传入 null),它不等空间、不阻塞、不拒绝,只要内存够就能加到队尾;poll() 则是「有就拿,没有就立刻返回 null」,不会等待。

这两个方法都不抛异常(除了 null 入队),但语义上和 BlockingQueue 完全不同:它不提供阻塞、超时、满/空等待能力。

  • 如果业务需要「队列满时背压」或「取不到时等一会儿」,别硬套 ConcurrentLinkedQueue,该换 ArrayBlockingQueueLinkedBlockingQueue
  • poll() 返回 null 只代表当前瞬间队列为空,不代表之后一直空——并发环境下,刚判空下一毫秒就被其他线程 offer()
  • 不要用 poll() 返回值做「是否还有任务」的长期状态判断,容易漏处理

为什么 peek() 不安全,以及怎么应对

peek() 只看队首不移除,看似轻量,但它仍要读取头节点的 item 字段——而这个字段可能已被其他线程 poll() 清空(设为 null),导致返回 null 即使队列非空。

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这不是 bug,是设计使然:为了不引入额外同步开销,ConcurrentLinkedQueue 允许头节点的 item 在出队后暂不物理删除,只置空,靠后续清理逻辑异步回收。

  • 不要把 peek() == null 当作「队列空」的依据,它只说明「当前头节点 item 为空」
  • 真正判断是否可消费,请用 poll() 并检查返回值;若需预览且不能移除,得自己加读锁或改用其他结构
  • 大量调用 peek() 且队列活跃时,可能触发内部清理线程频繁工作,间接影响性能

和 CopyOnWriteArrayList 做队列用,哪个更合适

别这么比。CopyOnWriteArrayList 每次写都要复制整个数组,add() 是 O(n),get(0) 虽快但不是队列语义;它根本不是为队列场景设计的。

ConcurrentLinkedQueue 的优势在于「写多读少 + 高并发入/出」,而 CopyOnWriteArrayList 适合「读极多、写极少、迭代安全」的场景,比如监听器列表。

  • 如果你发现代码里用 CopyOnWriteArrayList 模拟队列(比如 list.get(0) + list.remove(0)),立刻停下来——这是严重误用,性能差且线程安全假象
  • ConcurrentLinkedQueue 的内存占用略高(每个节点含额外原子引用),但扩容零成本;CopyOnWriteArrayList 写时内存翻倍,GC 压力大
  • 两者都不保证迭代器强一致性,但 ConcurrentLinkedQueue.iterator() 迭代期间遇到已出队节点,会跳过而非报错

真正难处理的是「需要优先级」或「带延迟」的队列,那得看 PriorityBlockingQueueDelayedQueueConcurrentLinkedQueue 压根不碰这些事。

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