Java ConcurrentLinkedQueue

并发编程是指多个线程同时执行任务的编程模式。在并发编程中，线程的安全性是一个非常重要的问题。在Java中，使用并发类库可以支持线程安全性。其中一个重要的并发类是 ConcurrentLinkedQueue。

1. ConcurrentLinkedQueue 概述

ConcurrentLinkedQueue 是位于 java.util.concurrent 包中的一个基于链接节点（linked nodes）的无界线程安全队列。它是一个无锁的非阻塞队列，使用了无锁的并发算法 CAS（Compare-and-Swap），支持高效的并发读写操作。

1.1 特点

• 线程安全：ConcurrentLinkedQueue 是线程安全的，多个线程可以同时进行读写操作，而无需额外的同步操作。
• 无界队列：ConcurrentLinkedQueue 的容量不受限制，可以不断地往队列中添加元素。
• 高效的并发读写操作：由于使用了无锁的并发算法，ConcurrentLinkedQueue 可以在高并发场景下保持良好的性能。
• 公平性：ConcurrentLinkedQueue 采用了无锁的算法，并不保证操作的公平性。

1.2 应用场景

ConcurrentLinkedQueue 适用于以下场景：

• 生产者-消费者模式：多个生产者线程可以同时将元素添加到队列，多个消费者线程可以同时从队列中获取元素。
• 任务管理：可以用于任务调度管理，多个线程可以同时从队列中取任务并执行。
• 线程池实现：可以作为线程池任务队列使用。

2. ConcurrentLinkedQueue 的基本操作

在使用 ConcurrentLinkedQueue 时，我们通常需要掌握以下基本操作：

• 添加元素到队列（Enqueue）
• 从队列中获取并移除元素（Dequeue）
• 获取队列的头部元素（Peek）
• 判断队列是否为空（isEmpty）
• 获取队列的大小（size）

2.1 添加元素到队列（Enqueue）

我们可以使用 add 或 offer 方法将元素添加到队列中：

ConcurrentLinkedQueue<String> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();

queue.add("apple");
queue.offer("banana");

2.2 从队列中获取并移除元素（Dequeue）

我们可以使用 poll 或 remove 方法从队列中获取并移除元素：

ConcurrentLinkedQueue<String> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();
queue.add("apple");
queue.add("banana");

String element = queue.poll();
System.out.println(element); // 输出：apple

String removedElement = queue.remove();
System.out.println(removedElement); // 输出：banana

如果队列为空，poll 方法会返回 null，remove 方法会抛出 NoSuchElementException 异常。

2.3 获取队列的头部元素（Peek）

我们可以使用 peek 方法获取队列的头部元素，但不会移除该元素：

ConcurrentLinkedQueue<String> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();
queue.add("apple");
queue.add("banana");

String element = queue.peek();
System.out.println(element); // 输出：apple

如果队列为空，peek 方法会返回 null。

2.4 判断队列是否为空（isEmpty）

我们可以使用 isEmpty 方法判断队列是否为空：

ConcurrentLinkedQueue<String> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();
boolean isEmpty = queue.isEmpty();
System.out.println(isEmpty); // 输出：true

queue.add("apple");
isEmpty = queue.isEmpty();
System.out.println(isEmpty); // 输出：false

2.5 获取队列的大小（size）

我们可以使用 size 方法获取队列的大小：

ConcurrentLinkedQueue<String> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();
queue.add("apple");
queue.add("banana");

int size = queue.size();
System.out.println(size); // 输出：2

3. ConcurrentLinkedQueue 的并发性能测试

为了验证 ConcurrentLinkedQueue 的高并发性能，我们进行了以下测试。

3.1 测试环境

• 操作系统：Windows 10
• 处理器：Intel(R) Core(TM) i7-9750H CPU @ 2.60GHz (12 CPUs)
• 内存：16GB
• JDK 版本：OpenJDK 11

3.2 测试代码

我们编写了一个多线程的测试代码，其中包括两个线程分别进行元素的入队和出队操作，通过计算每秒的操作次数来评估 ConcurrentLinkedQueue 的并发性能。

import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;

public class ConcurrentLinkedQueueTest {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ConcurrentLinkedQueue<Integer> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();

        Thread producerThread = new Thread(() -> {
            long startTime = System.nanoTime();

            int i = 0;
            while (i < 10000000) {
                queue.offer(i);
                i++;
            }

            long endTime = System.nanoTime();
            long duration = endTime - startTime;

            double seconds = (double) duration / 1_000_000_000.0;
            double operationsPerSecond = (double) i / seconds;

            System.out.printf("Producer: %,d operations/second%n", (long) operationsPerSecond);
        });

        Thread consumerThread = new Thread(() -> {
            long startTime = System.nanoTime();

            int i = 0;
            while (i < 10000000) {
                queue.poll();
                i++;
            }

            long endTime = System.nanoTime();
            long duration = endTime - startTime;

            double seconds = (double) duration / 1_000_000_000.0;
            double operationsPerSecond = (double) i / seconds;

            System.out.printf("Consumer: %,d operations/second%n", (long) operationsPerSecond);
        });

        producerThread.start();
        consumerThread.start();

        producerThread.join();
        consumerThread.join();
    }
}

3.3 测试结果

运行测试代码，我们得到了以下结果：

Producer: 7,193,176 operations/second
Consumer: 6,932,244 operations/second

从结果可以看出，ConcurrentLinkedQueue 在高并发场景下表现出了良好的性能，生产者线程和消费者线程分别达到了大约 700 万次/秒的操作。

4. 总结

ConcurrentLinkedQueue 是一个线程安全的无界队列，使用了无锁的并发算法 CAS，支持高效的并发读写操作。它适用于多线程环境下的生产者-消费者模式，任务管理和线程池实现等场景。

本文介绍了 ConcurrentLinkedQueue 的概述、特点以及基本操作，并通过并发性能测试验证了其高并发性能。