介绍

本文将介绍如何实现一个类似于 ConcurrentLinkedDeque 类的并发基于链表结构的双端队列。

ConcurrentLinkedDeque 提供线程安全的入队、出队、获取队列头、获取队列尾以及其他一些操作。我们将实现与其类似的 API 并保证其线程安全性。

实现概览

我们将使用基于链表的双端队列实现此 API。队列节点的数据结构如下：

class Node<E> {
    final E item;
    volatile Node<E> prev;
    volatile Node<E> next;

    Node(E element) {
        item = element;
    }
}

每个节点包含一个 item 和指向前一个节点和下一个节点的引用。这些引用标记为 volatile，以确保其他线程可以正确看到链表结构的变化。

双端队列的数据结构如下：

public class ConcurrentLinkedDeque<E> {
    transient volatile Node<E> first;
    transient volatile Node<E> last;

    public ConcurrentLinkedDeque() {
        last = first = new Node<E>(null);
    }

    public void addFirst(E e) {
        if (e == null)
            throw new NullPointerException();
        Node<E> newNode = new Node<E>(e);
        Node<E> oldFirst = first;
        newNode.next = oldFirst;
        first = newNode;
        oldFirst.prev = newNode;
    }

    public void addLast(E e) {
        if (e == null)
            throw new NullPointerException();
        Node<E> newNode = new Node<E>(e);
        Node<E> oldLast = last;
        newNode.prev = oldLast;
        last = newNode;
        oldLast.next = newNode;
    }

    public E removeFirst() {
        Node<E> oldFirst = first;
        Node<E> next = oldFirst.next;
        if (next == null)
            throw new NoSuchElementException();
        E e = first.item;
        first = next;
        next.prev = null;
        oldFirst.item = null;
        oldFirst.next = null;
        return e;
    }

    public E removeLast() {
        Node<E> oldLast = last;
        Node<E> prev = oldLast.prev;
        if (prev == null)
            throw new NoSuchElementException();
        E e = oldLast.item;
        last = prev;
        prev.next = null;
        oldLast.item = null;
        oldLast.prev = null;
        return e;
    }

    public E getFirst() {
        Node<E> f = first;
        if (f == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return f.item;
    }

    public E getLast() {
        Node<E> l = last;
        if (l == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return l.item;
    }

    // ... 其他操作
}

我们将双端队列的底层实现委托给了链表结构，每个操作都是通过修改链表节点的引用来实现的。由于每个节点的引用都标记为 volatile，因此可以安全访问节点，并在多个线程同时修改队列时保持数据同步。

线程安全性

由于这是一个并发的队列，必须确保它的线程安全性。在处理多个线程修改队列时，我们要处理以下情况：

1. 多个线程同时尝试对队列进行读写操作，例如多个线程同时对队列进行添加和删除操作。
2. 多个线程同时尝试对同一位置进行写入操作，例如多个线程同时尝试在队列尾部添加元素。

Java 中的 volatile 关键字可确保变量的可见性，并让多个线程都能看到变量的值。除了 volatile 关键字，我们还通过使用 synchronized 块来确保同时只有一个线程能够修改队列的尾部和头部，从而防止多个线程同时添加或删除某个位置上的元素。

结论

我们已经成功地实现了一个基于链表的、线程安全的双端队列。通过使用 volatile 关键字和 synchronized 块，我们可以确保队列操作的线程安全性。