非阻塞同步算法实战(一):ConcurrentLinkedQueue

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前言

本文写给对ConcurrentLinkedQueue的实现和非阻塞同步算法的实现原理有一定了解,但缺少实践经验的朋友,文中包括了实战中的尝试、所走的弯路,经验和教训。

背景介绍

上个月,我被安排独自负责一个聊天系统的服务端,因为一些原因,我没使用现成的开源框架,网络那块直接使用AIO,收数据时,因为只会从channel里过来,所以不需要考虑同步问题;但是发送数据时,因为有聊天消息的转发,所以必需处理这个同步问题。AIO中,是处理完一个注册的操作后,再执行我们定义的方法,此时,如果还有数据需要写,则继续注册写操作,如果没有则不注册;提交数据时,如果当前没有注册写操作,则注册一个,否则仅提交(此时再注册则会报异常)。这样,需要同步的点就是:如何知道当前还有没有数据需要发送(因为其它线程也可以提交数据到此处),和如何知道此次提交时,有没有注册写操作。总之,要完成:有数据要发送时,必需有写操作被注册,并且只能注册一次;没有数据时,不能有写操作被注册。

问题分析

经过分析,上面的问题,可以抽象成:我需要知道当往队列里插入一条数据之前,该队列是否为空,如果为空则应该注册新的写操作。当从队列里取出一条数据后,该队列是否为非空,如果非空则应该继续注册写操作。(本文之后以“关注的操作”来表示这种场景下的插入或取出操作)

目前的问题是,我使用的队列是ConcurrentLinkedQueue,但是它的取出数据的方法,没有返回值告诉我们从队列里取出数据之后队列是否为空,如果是使用size或peek方法来执行判断,那就必需加锁了,否则在拿到队列大小时,可能队列大小已经变化了。所以我首先想到的是,如何对该队列进行改造,让它提供该信息。

注意:这里指的不是当次而是之后,所以如果我们使用队列的peek()方法返回null,就知道队列是否为空,但是不知道之后是否为空 ,并且,当关注的操作发生时,在插入或取出操作的返回值里告知此信息,来指导是否继续注册写操作。

用锁实现

如果使用锁的话很容易处理,用锁同步插入和取出方法,下面是锁实现的参考:

    public E poll() {
        synchronized (this) {
            E re = q.poll();
            // 获取元素后,队列是空,表示是我关注的操作
            if (q.peek() == null) {

            }
            return re;
        }
    }

    public void offer(E e) {
        synchronized (this) {
            // 插入元素前,队列是空,表示是我关注的操作
            if (q.peek() == null) {

            }
            q.offer(e);
        }
    }

但因为是服务端,我想用非阻塞同步算法来实现。

尝试方案一

我第一次想到的改造办法是,将head占位节点改成固定的,头节点移动时,只将head节点的next指向新的节点,在插入数据时,如果是在head节点上成功执行的该操作,那么该插入就是关注的的操作;在取出时,如果将head节点的next置为了null,那么该取出就是关注的操作( 因为之前的占位节点是变化的,所以没法比较,必需用同步,现在是固定的了,所以可以直接与head节点进行比较 )。如此一来,问题好像被解决了。改造完之后,出于严谨,我仔细读了一遍代码,发现引入了新的问题,我的取出操作是这样写的

/**
 * @author trytocatch@163.com
 */
public E poll(){
    for(;;){
        Node n = head.nextRef.get();//head指向固定的head节点,为final
        if(n == null)
            return null;
        Node m = n.nextRef.get();
        if(head.next.compareAndSet(n,m){
            if(m==null)
                ;//此时为关注的操作(为了简化代码显示,不将该信息当作返回值返回了,仅注释)
            return n.itemRef.get();
        }
    }
}

这里有一个致命的问题:如果m为null,在CAS期间,插入了新节点,n的next由null变成了非null,紧接着又把head的next更新为了null,那么链就断了,该方法还存在一些其它的问题,如当队列为空的时候,尾节点指向了错误的位置,本应该是head的。我认为最根本的原因在于,head不能设为固定的,否则会引发一堆问题。第一次尝试宣告失败。

尝试方案二

这次我尝试将head跟tail两个引用包装成一个对象,然后对这个对象进行CAS更新(这仅为一处理论上的尝试,因为从性能上面来讲,已经大打折扣了,创建了很多额外的对象),如果head跟tail指向了同一个节点,则认为队列是空的,根据此信息来判断一个操作是不是关注的操作。但该尝试仅停留在了理论分析阶段,期间发现了一些小问题,没法解决,后来我发现,我把ConcurrentLinkedQueue原本可以分成两步执行的插入和取出操作(更新节点的next或item引用,然后再更新head或tail引用),变成了必需一步完成,ConcurrentLinkedQueue尚不能一步完成,我何德何能,可将它们一步完成?所以直接放弃了。

解决方案一

经过两次的失败尝试,我几乎绝望了,我怀疑这是不是不能判断出是否为关注的操作。

因为是在做项目,周末已经过去了,不能再搞这些“研究”了,所以我退而求其次,想了个不太漂亮的办法,在队列外部维护一个变量,记录队列有多大,在插入或取出后,更新该变量,使用的是AtomicInteger,如果更新时,将变量从1变成0,或从0变成了1,就认为该插入或取出为关注的操作。

    private AtomicInteger size = new AtomicInteger(0);
    public E poll() {
        E re = q.poll();
        if (re == null)
            return null;
        for(int old;;){
            old = size.get();
            if(size.compareAndSet(old,old-1)){
                // 获取元素后,队列是空,表示是我关注的操作
                if(old == 1){

                }
                break;
            }
        }
        return re;
    }

    public void offer(E e) {
        q.offer(e);
        for(int old;;){
            old = size.get();
            if(size.compareAndSet(old,old+1)){
                // 插入元素前,队列是空,表示是我关注的操作
                if(old == 0){

                }
                break;
            }
        }
    }

此时,也许细心的朋友会问,因为没有使用锁,这个变量并不能真实反映队列的大小,也就不能确定它是不是关注的操作。没错,是不能真实反映,但是,我获取关注的操作的目的是用来指导我:该不该注册新的写操作,该变量的值变化就能提供正确的指导,所以,同样是正确的,只不过途径不同而已。理论上的分析和后来的项目正确运行都印证了该方法的正确性。

解决方案二

因为上面的方法额外加了一次lock-free级别的CAS操作,我心里总不太舒服,空余时间总在琢磨,真的就没有办法,在不增加额外lock-free级别CAS开支的情况下,知晓一个操作是不是关注的操作?

后来经分析,如果要知晓是不是关注的操作,跟两个数据有关,真实的头节点跟尾节点(不同于head跟tail,因为它们是滞后的,之前将它们包装成一个对象就是犯了该错误),ConcurrentLinkedQueue的实现中,这两个节点是没有竞争的,一个是更新item,一个是更新next,必需得让他们竞争同一个东西,才能解决该问题,于是我想到了一个办法,取出完成后,如果该节点的next为null,就将其用CAS置为一个特殊的值,若成功则认为是关注的操作;插入成功后,如果next被替换掉的值不是null而是这个特殊值,那么该插入也为关注的操作。这仅增加了一次wait-free级别的CAS操作(取出后的那次CAS),perfect!

因为ConcurrentLinkedQueue的很多变量、内部类都是私有的,没法通过继承来改造,没办法,只得自行实现。对于队列里使用的Node,实现的方式有很多种,可以使用AtomicReference、AtomicReferenceFieldUpdater来实现,如果你愿意的话,甚至是像ConcurrentLinkedQueue一样,用sun.misc.Unsafe来实现(注意:一般来说,sun包下的类是不推荐使用的),各有优缺点吧,所以我就不提供该队列的具体实现了,下面给出在ConcurrentLinkedQueue(版本:1.7.0_10)基础上进行的改造,供参考。注意,如果需要用到size等方法,因为特殊值的引入,影响了之前的判断逻辑,应重新编写。

   /**
    * @author trytocatch@163.com
    */
    private static final Node MARK_NODE = new Node(null);

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

        for (Node t = tail, p = t;;) {
            Node q = p.next;
            if (q == null || q == MARK_NODE) {//修改1:加入条件:或q == MARK_NODE
                // p is last node
                if (p.casNext(q, newNode)) {//修改2:将null改为q
                    // Successful CAS is the linearization point
                    // for e to become an element of this queue,
                    // and for newNode to become "live".
                    if (q == MARK_NODE)//修改3:
                        ;//此时为关注的操作(为了简化代码显示,仅注释)
                    if (p != t) // hop two nodes at a time
                        casTail(t, newNode); // Failure is OK.
                    return true;
                }
                // Lost CAS race to another thread; re-read next
            }
            else if (p == q)
                // We have fallen off list. If tail is unchanged, it
                // will also be off-list, in which case we need to
                // jump to head, from which all live nodes are always
                // reachable. Else the new tail is a better bet.
                p = (t != (t = tail)) ? t : head;
            else
                // Check for tail updates after two hops.
                p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q;
        }
    }

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

                if (item != null && p.casItem(item, null)) {
                    // Successful CAS is the linearization point
                    // for item to be removed from this queue.
                    if (p != h) // hop two nodes at a time
                        updateHead(h, ((q = p.next) != null) ? q : p);
                    if (p.casNext(null,MARK_NODE))//修改1:
                        ;//此时为关注的操作
                    return item;
                }
                else if ((q = p.next) == null) {
                    updateHead(h, p);
                    return null;
                }
                else if (p == q)
                    continue restartFromHead;
                else
                    p = q;
            }
        }
    }

小结

设计非阻塞算法的关键在于,找出竞争点,如果获取的某个信息跟两个操作有关,那么应该让这两个操作竞争同一个东西,这样才能反应出它们的关系。


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