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<title>37 阻塞和非阻塞队列的并发安全原理是什么？.md.html</title>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/00 由点及面，搭建你的 Java 并发知识网.md.html">00 由点及面，搭建你的 Java 并发知识网</a>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/01 为何说只有 1 种实现线程的方法？.md.html">01 为何说只有 1 种实现线程的方法？</a>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/02 如何正确停止线程？为什么 volatile 标记位的停止方法是错误的？.md.html">02 如何正确停止线程？为什么 volatile 标记位的停止方法是错误的？</a>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/03 线程是如何在 6 种状态之间转换的？.md.html">03 线程是如何在 6 种状态之间转换的？</a>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/04 waitnotifynotifyAll 方法的使用注意事项？.md.html">04 waitnotifynotifyAll 方法的使用注意事项？</a>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/05 有哪几种实现生产者消费者模式的方法？.md.html">05 有哪几种实现生产者消费者模式的方法？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/06 一共有哪 3 类线程安全问题？.md.html">06 一共有哪 3 类线程安全问题？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/07 哪些场景需要额外注意线程安全问题？.md.html">07 哪些场景需要额外注意线程安全问题？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/08 为什么多线程会带来性能问题？.md.html">08 为什么多线程会带来性能问题？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/09 使用线程池比手动创建线程好在哪里？.md.html">09 使用线程池比手动创建线程好在哪里？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/10 线程池的各个参数的含义？.md.html">10 线程池的各个参数的含义？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/11 线程池有哪 4 种拒绝策略？.md.html">11 线程池有哪 4 种拒绝策略？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/12 有哪 6 种常见的线程池？什么是 Java8 的 ForkJoinPool？.md.html">12 有哪 6 种常见的线程池？什么是 Java8 的 ForkJoinPool？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/13 线程池常用的阻塞队列有哪些？.md.html">13 线程池常用的阻塞队列有哪些？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/14 为什么不应该自动创建线程池？.md.html">14 为什么不应该自动创建线程池？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/15 合适的线程数量是多少？CPU 核心数和线程数的关系？.md.html">15 合适的线程数量是多少？CPU 核心数和线程数的关系？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/16 如何根据实际需要，定制自己的线程池？.md.html">16 如何根据实际需要，定制自己的线程池？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/17 如何正确关闭线程池？shutdown 和 shutdownNow 的区别？.md.html">17 如何正确关闭线程池？shutdown 和 shutdownNow 的区别？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/18 线程池实现“线程复用”的原理？.md.html">18 线程池实现“线程复用”的原理？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/19 你知道哪几种锁？分别有什么特点？.md.html">19 你知道哪几种锁？分别有什么特点？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/20 悲观锁和乐观锁的本质是什么？.md.html">20 悲观锁和乐观锁的本质是什么？</a>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/21 如何看到 synchronized 背后的“monitor 锁”？.md.html">21 如何看到 synchronized 背后的“monitor 锁”？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/22 synchronized 和 Lock 孰优孰劣，如何选择？.md.html">22 synchronized 和 Lock 孰优孰劣，如何选择？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/23 Lock 有哪几个常用方法？分别有什么用？.md.html">23 Lock 有哪几个常用方法？分别有什么用？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/24 讲一讲公平锁和非公平锁，为什么要“非公平”？.md.html">24 讲一讲公平锁和非公平锁，为什么要“非公平”？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/25 读写锁 ReadWriteLock 获取锁有哪些规则？.md.html">25 读写锁 ReadWriteLock 获取锁有哪些规则？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/26 读锁应该插队吗？什么是读写锁的升降级？.md.html">26 读锁应该插队吗？什么是读写锁的升降级？</a>
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</li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/27 什么是自旋锁？自旋的好处和后果是什么呢？.md.html">27 什么是自旋锁？自旋的好处和后果是什么呢？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/28 JVM 对锁进行了哪些优化？.md.html">28 JVM 对锁进行了哪些优化？</a>
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</li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/29 HashMap 为什么是线程不安全的？.md.html">29 HashMap 为什么是线程不安全的？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/30 ConcurrentHashMap 在 Java7 和 8 有何不同？.md.html">30 ConcurrentHashMap 在 Java7 和 8 有何不同？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/31 为什么 Map 桶中超过 8 个才转为红黑树？.md.html">31 为什么 Map 桶中超过 8 个才转为红黑树？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/32 同样是线程安全，ConcurrentHashMap 和 Hashtable 的区别.md.html">32 同样是线程安全，ConcurrentHashMap 和 Hashtable 的区别</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/33 CopyOnWriteArrayList 有什么特点？.md.html">33 CopyOnWriteArrayList 有什么特点？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/34 什么是阻塞队列？.md.html">34 什么是阻塞队列？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/35 阻塞队列包含哪些常用的方法？add、offer、put 等方法的区别？.md.html">35 阻塞队列包含哪些常用的方法？add、offer、put 等方法的区别？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/36 有哪几种常见的阻塞队列？.md.html">36 有哪几种常见的阻塞队列？</a>
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</li>
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<li>
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<a class="current-tab" href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/37 阻塞和非阻塞队列的并发安全原理是什么？.md.html">37 阻塞和非阻塞队列的并发安全原理是什么？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/38 如何选择适合自己的阻塞队列？.md.html">38 如何选择适合自己的阻塞队列？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/39 原子类是如何利用 CAS 保证线程安全的？.md.html">39 原子类是如何利用 CAS 保证线程安全的？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/40 AtomicInteger 在高并发下性能不好，如何解决？为什么？.md.html">40 AtomicInteger 在高并发下性能不好，如何解决？为什么？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/41 原子类和 volatile 有什么异同？.md.html">41 原子类和 volatile 有什么异同？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/42 AtomicInteger 和 synchronized 的异同点？.md.html">42 AtomicInteger 和 synchronized 的异同点？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/43 Java 8 中 Adder 和 Accumulator 有什么区别？.md.html">43 Java 8 中 Adder 和 Accumulator 有什么区别？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/44 ThreadLocal 适合用在哪些实际生产的场景中？.md.html">44 ThreadLocal 适合用在哪些实际生产的场景中？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/45 ThreadLocal 是用来解决共享资源的多线程访问的问题吗？.md.html">45 ThreadLocal 是用来解决共享资源的多线程访问的问题吗？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/46 多个 ThreadLocal 在 Thread 中的 threadlocals 里是怎么存储的？.md.html">46 多个 ThreadLocal 在 Thread 中的 threadlocals 里是怎么存储的？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/47 内存泄漏——为何每次用完 ThreadLocal 都要调用 remove()？.md.html">47 内存泄漏——为何每次用完 ThreadLocal 都要调用 remove()？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/48 Callable 和 Runnable 的不同？.md.html">48 Callable 和 Runnable 的不同？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/49 Future 的主要功能是什么？.md.html">49 Future 的主要功能是什么？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/50 使用 Future 有哪些注意点？Future 产生新的线程了吗？.md.html">50 使用 Future 有哪些注意点？Future 产生新的线程了吗？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/51 如何利用 CompletableFuture 实现“旅游平台”问题？.md.html">51 如何利用 CompletableFuture 实现“旅游平台”问题？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/52 信号量能被 FixedThreadPool 替代吗？.md.html">52 信号量能被 FixedThreadPool 替代吗？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/53 CountDownLatch 是如何安排线程执行顺序的？.md.html">53 CountDownLatch 是如何安排线程执行顺序的？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/54 CyclicBarrier 和 CountdownLatch 有什么异同？.md.html">54 CyclicBarrier 和 CountdownLatch 有什么异同？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/55 Condition、object.wait() 和 notify() 的关系？.md.html">55 Condition、object.wait() 和 notify() 的关系？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/56 讲一讲什么是 Java 内存模型？.md.html">56 讲一讲什么是 Java 内存模型？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/57 什么是指令重排序？为什么要重排序？.md.html">57 什么是指令重排序？为什么要重排序？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/58 Java 中的原子操作有哪些注意事项？.md.html">58 Java 中的原子操作有哪些注意事项？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/59 什么是“内存可见性”问题？.md.html">59 什么是“内存可见性”问题？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/60 主内存和工作内存的关系？.md.html">60 主内存和工作内存的关系？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/61 什么是 happens-before 规则？.md.html">61 什么是 happens-before 规则？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/62 volatile 的作用是什么？与 synchronized 有什么异同？.md.html">62 volatile 的作用是什么？与 synchronized 有什么异同？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/63 单例模式的双重检查锁模式为什么必须加 volatile？.md.html">63 单例模式的双重检查锁模式为什么必须加 volatile？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/64 你知道什么是 CAS 吗？.md.html">64 你知道什么是 CAS 吗？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/65 CAS 和乐观锁的关系，什么时候会用到 CAS？.md.html">65 CAS 和乐观锁的关系，什么时候会用到 CAS？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/66 CAS 有什么缺点？.md.html">66 CAS 有什么缺点？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/67 如何写一个必然死锁的例子？.md.html">67 如何写一个必然死锁的例子？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/68 发生死锁必须满足哪 4 个条件？.md.html">68 发生死锁必须满足哪 4 个条件？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/69 如何用命令行和代码定位死锁？.md.html">69 如何用命令行和代码定位死锁？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/70 有哪些解决死锁问题的策略？.md.html">70 有哪些解决死锁问题的策略？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/71 讲一讲经典的哲学家就餐问题.md.html">71 讲一讲经典的哲学家就餐问题</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/72 final 的三种用法是什么？.md.html">72 final 的三种用法是什么？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/73 为什么加了 final 却依然无法拥有“不变性”？.md.html">73 为什么加了 final 却依然无法拥有“不变性”？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/74 为什么 String 被设计为是不可变的？.md.html">74 为什么 String 被设计为是不可变的？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/75 为什么需要 AQS？AQS 的作用和重要性是什么？.md.html">75 为什么需要 AQS？AQS 的作用和重要性是什么？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/76 AQS 的内部原理是什么样的？.md.html">76 AQS 的内部原理是什么样的？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/77 AQS 在 CountDownLatch 等类中的应用原理是什么？.md.html">77 AQS 在 CountDownLatch 等类中的应用原理是什么？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/78 一份独家的 Java 并发工具图谱.md.html">78 一份独家的 Java 并发工具图谱</a>
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</li>
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<div><h1>37 阻塞和非阻塞队列的并发安全原理是什么？</h1>
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<p>本课时我们主要研究阻塞和非阻塞队列的并发安全原理。</p>
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<p>之前我们探究了常见的阻塞队列的特点，在本课时，我们以 ArrayBlockingQueue 为例，首先分析 BlockingQueue 即阻塞队列的线程安全原理，然后再看看它的兄弟——非阻塞队列的并发安全原理。通过本课时的学习，我们就可以了解到关于并发队列的底层原理了。</p>
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<h3>ArrayBlockingQueue 源码分析</h3>
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<p>我们首先看一下 ArrayBlockingQueue 的源码，ArrayBlockingQueue 有以下几个重要的属性：</p>
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<pre><code class="language-java">// 用于存放元素的数组
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final Object[] items;
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// 下一次读取操作的位置
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int takeIndex;
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// 下一次写入操作的位置
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int putIndex;
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// 队列中的元素数量
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int count;
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</code></pre>
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<p>第一个就是最核心的、用于存储元素的 Object 类型的数组；然后它还会有两个位置变量，分别是 takeIndex 和 putIndex，这两个变量就是用来标明下一次读取和写入位置的；另外还有一个 count 用来计数，它所记录的就是队列中的元素个数。</p>
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<p>另外，我们再来看下面这三个变量：</p>
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<pre><code class="language-java">// 以下3个是控制并发用的工具
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final ReentrantLock lock;
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private final Condition notEmpty;
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private final Condition notFull;
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</code></pre>
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<p>这三个变量也非常关键，第一个就是一个 ReentrantLock，而下面两个 Condition 分别是由 ReentrantLock 产生出来的，这三个变量就是我们实现线程安全最核心的工具。</p>
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<p>ArrayBlockingQueue 实现并发同步的原理就是利用 ReentrantLock 和它的两个 Condition，读操作和写操作都需要先获取到 ReentrantLock 独占锁才能进行下一步操作。进行读操作时如果队列为空，线程就会进入到读线程专属的 notEmpty 的 Condition 的队列中去排队，等待写线程写入新的元素；同理，如果队列已满，这个时候写操作的线程会进入到写线程专属的 notFull 队列中去排队，等待读线程将队列元素移除并腾出空间。</p>
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<p>下面，我们来分析一下最重要的 put 方法：</p>
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<pre><code class="language-java">public void put(E e) throws InterruptedException {
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checkNotNull(e);
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final ReentrantLock lock = this.lock;
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lock.lockInterruptibly();
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try {
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while (count == items.length)
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notFull.await();
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enqueue(e);
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} finally {
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lock.unlock();
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}
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}
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</code></pre>
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<p>在 put 方法中，首先用 checkNotNull 方法去检查插入的元素是不是 null。如果不是 null，我们会用 ReentrantLock 上锁，并且上锁方法是 lock.lockInterruptibly()。这个方法我们在第 23 课时的时候讲过，在获取锁的同时是可以响应中断的，这也正是我们的阻塞队列在调用 put 方法时，在尝试获取锁但还没拿到锁的期间可以响应中断的底层原因。</p>
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<p>紧接着 ，是一个非常经典的 try finally 代码块，finally 中会去解锁，try 中会有一个 while 循环，它会检查当前队列是不是已经满了，也就是 count 是否等于数组的长度。如果等于就代表已经满了，于是我们便会进行等待，直到有空余的时候，我们才会执行下一步操作，调用 enqueue 方法让元素进入队列，最后用 unlock 方法解锁。</p>
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<p>你看到这段代码不知道是否眼熟，在第 5 课时我们讲过，用 Condition 实现生产者/消费者模式的时候，写过一个 put 方法，代码如下：</p>
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<pre><code class="language-java">public void put(Object o) throws InterruptedException {
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lock.lock();
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try {
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while (queue.size() == max) {
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notFull.await();
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}
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queue.add(o);
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notEmpty.signalAll();
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} finally {
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lock.unlock();
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}
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}
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</code></pre>
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<p>可以看出，这两个方法几乎是一模一样的，所以当时在第 5 课时的时候我们就说过，我们自己用 Condition 实现生产者/消费者模式，实际上其本质就是自己实现了简易版的 BlockingQueue。你可以对比一下这两个 put 方法的实现，这样对 Condition 的理解就会更加深刻。</p>
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<p>和 ArrayBlockingQueue 类似，其他各种阻塞队列如 LinkedBlockingQueue、PriorityBlockingQueue、DelayQueue、DelayedWorkQueue 等一系列 BlockingQueue 的内部也是利用了 ReentrantLock 来保证线程安全，只不过细节有差异，比如 LinkedBlockingQueue 的内部有两把锁，分别锁住队列的头和尾，比共用同一把锁的效率更高，不过总体思想都是类似的。</p>
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<h3>非阻塞队列ConcurrentLinkedQueue</h3>
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<p>看完阻塞队列之后，我们就来看看非阻塞队列 ConcurrentLinkedQueue。顾名思义，ConcurrentLinkedQueue 是使用链表作为其数据结构的，我们来看一下关键方法 offer 的源码：</p>
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<pre><code class="language-java">public boolean offer(E e) {
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checkNotNull(e);
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final Node<E> newNode = new Node<E>(e);
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for (Node<E> t = tail, p = t;;) {
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Node<E> q = p.next;
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if (q == null) {
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// p is last node
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if (p.casNext(null, newNode)) {
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// Successful CAS is the linearization point
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// for e to become an element of this queue,
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// and for newNode to become "live".
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if (p != t) // hop two nodes at a time
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casTail(t, newNode); // Failure is OK.
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return true;
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}
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// Lost CAS race to another thread; re-read next
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}
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else if (p == q)
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// We have fallen off list. If tail is unchanged, it
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// will also be off-list, in which case we need to
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// jump to head, from which all live nodes are always
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// reachable. Else the new tail is a better bet.
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p = (t != (t = tail)) ? t : head;
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else
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// Check for tail updates after two hops.
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p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q;
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}
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}
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</code></pre>
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<p>在这里我们不去一行一行分析具体的内容，而是把目光放到整体的代码结构上，在检查完空判断之后，可以看到它整个是一个大的 for 循环，而且是一个非常明显的死循环。在这个循环中有一个非常亮眼的 p.casNext 方法，这个方法正是利用了 CAS 来操作的，而且这个死循环去配合 CAS 也就是典型的乐观锁的思想。我们就来看一下 p.casNext 方法的具体实现，其方法代码如下：</p>
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<pre><code class="language-java">boolean casNext(Node<E> cmp, Node<E> val) {
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return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, nextOffset, cmp, val);
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}
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</code></pre>
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<p>可以看出这里运用了 UNSAFE.compareAndSwapObject 方法来完成 CAS 操作，而 compareAndSwapObject 是一个 native 方法，最终会利用 CPU 的 CAS 指令保证其不可中断。</p>
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<p>可以看出，非阻塞队列 ConcurrentLinkedQueue 使用 CAS 非阻塞算法 + 不停重试，来实现线程安全，适合用在不需要阻塞功能，且并发不是特别剧烈的场景。</p>
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<h3>总结</h3>
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<p>最后我们来做一下总结。本课时我们分析了阻塞队列和非阻塞队列的并发安全原理，其中阻塞队列最主要是利用了 ReentrantLock 以及它的 Condition 来实现，而非阻塞队列则是利用 CAS 方法实现线程安全。</p>
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