Java中SynchronousQueue的底层实现原理剖析
上篇文章谈到BlockingQueue的使用场景，并重点分析了ArrayBlockingQueue的实现原理，了解到ArrayBlockingQueue底层是基于数组实现的阻塞队列。
但是BlockingQueue的实现类中，有一种阻塞队列比较特殊，就是SynchronousQueue（同步移交队列），队列长度为0。
作用就是一个线程往队列放数据的时候，必须等待另一个线程从队列中取走数据。同样，从队列中取数据的时候，必须等待另一个线程往队列中放数据。
这样特殊的队列，有什么应用场景呢？
1. SynchronousQueue用法
先看一个SynchronousQueue的简单用例：
public class SynchronousQueueDemo {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 1. 创建SynchronousQueue队列
BlockingQueue<Integer> synchronousQueue = new SynchronousQueue<>();
// 2. 启动一个线程，往队列中放3个元素
new Thread(() -> {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 入队列 1");
synchronousQueue.put(1);
Thread.sleep(1);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 入队列 2");
synchronousQueue.put(2);
Thread.sleep(1);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 入队列 3");
synchronousQueue.put(3);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
// 3. 等待1000毫秒
Thread.sleep(1000L);
// 4. 再启动一个线程，从队列中取出3个元素
new Thread(() -> {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 出队列 " + synchronousQueue.take());
Thread.sleep(1);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 出队列 " + synchronousQueue.take());
Thread.sleep(1);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 出队列 " + synchronousQueue.take());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
}
}输出结果：
Thread-0 入队列 1
Thread-1 出队列 1
Thread-0 入队列 2
Thread-1 出队列 2
Thread-0 入队列 3
Thread-1 出队列 3
从输出结果中可以看到，第一个线程Thread-0往队列放入一个元素1后，就被阻塞了。直到第二个线程Thread-1从队列中取走元素1后，Thread-0才能继续放入第二个元素2。
由于SynchronousQueue是BlockingQueue的实现类，所以也实现类BlockingQueue中几组抽象方法：
为了满足不同的使用场景，BlockingQueue设计了很多的放数据和取数据的方法。
| 操作 | 抛出异常 | 返回特定值 | 阻塞 | 阻塞一段时间 |
|---|---|---|---|---|
| 放数据 | add | offer | put | offer(e, time, unit) |
| 取数据 | remove | poll | take | poll(time, unit) |
| 查看数据（不删除） | element() | peek() | 不支持 | 不支持 |
这几组方法的不同之处就是：
- 当队列满了，再往队列中放数据，add方法抛异常，offer方法返回false，put方法会一直阻塞（直到有其他线程从队列中取走数据），offer(e, time, unit)方法阻塞指定时间然后返回false。
- 当队列是空，再从队列中取数据，remove方法抛异常，poll方法返回null，take方法会一直阻塞（直到有其他线程往队列中放数据），poll(time, unit)方法阻塞指定时间然后返回null。
- 当队列是空，再去队列中查看数据（并不删除数据），element方法抛异常，peek方法返回null。
工作中使用最多的就是offer、poll阻塞指定时间的方法。
2. SynchronousQueue应用场景
SynchronousQueue的特点：
队列长度是0，一个线程往队列放数据，必须等待另一个线程取走数据。同样，一个线程从队列中取数据，必须等待另一个线程往队列中放数据。
这种特殊的实现逻辑有什么应用场景呢？
我的理解就是，如果你希望你的任务需要被快速处理，就可以使用这种队列。
Java线程池中的newCachedThreadPool（带缓存的线程池）底层就是使用SynchronousQueue实现的。
public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
60L, TimeUnit.SECONDS,
new SynchronousQueue<Runnable>());
}newCachedThreadPool线程池的核心线程数是0，最大线程数是Integer的最大值，线程存活时间是60秒。
如果你使用newCachedThreadPool线程池，你提交的任务会被更快速的处理，因为你每次提交任务，都会有一个空闲的线程等着处理任务。如果没有空闲的线程，也会立即创建一个线程处理你的任务。
你想想，这处理效率，杠杠滴！
当然也有弊端，如果你提交了太多的任务，导致创建了大量的线程，这些线程都在竞争CPU时间片，等待CPU调度，处理任务速度也会变慢，所以在使用过程中也要综合考虑。
3. SynchronousQueue源码解析
3.1 SynchronousQueue类属性
public class SynchronousQueue<E> extends AbstractQueue<E> implements BlockingQueue<E> {
// 转换器，取数据和放数据的核心逻辑都在这个类里面
private transient volatile Transferer<E> transferer;
// 默认的构造方法（使用非公平队列）
public SynchronousQueue() {
this(false);
}
// 有参构造方法，可以指定是否使用公平队列
public SynchronousQueue(boolean fair) {
transferer = fair ? new TransferQueue<E>() : new TransferStack<E>();
}
// 转换器实现类
abstract static class Transferer<E> {
abstract E transfer(E e, boolean timed, long nanos);
}
// 基于栈实现的非公平队列
static final class TransferStack<E> extends Transferer<E> {
}
// 基于队列实现的公平队列
static final class TransferQueue<E> extends Transferer<E> {
}
}可以看到SynchronousQueue默认的无参构造方法，内部使用的是基于栈实现的非公平队列，当然也可以调用有参构造方法，传参是true，使用基于队列实现的公平队列。
// 使用非公平队列（基于栈实现）
BlockingQueue<Integer> synchronousQueue = new SynchronousQueue<>();
// 使用公平队列（基于队列实现）
BlockingQueue<Integer> synchronousQueue = new SynchronousQueue<>(true);
本次就常用的栈实现来剖析SynchronousQueue的底层实现原理。
3.2 栈底层结构
栈结构，是非公平的，遵循先进后出。
使用个case测试一下：
public class SynchronousQueueDemo {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 1. 创建SynchronousQueue队列
SynchronousQueue<Integer> synchronousQueue = new SynchronousQueue<>();
// 2. 启动一个线程，往队列中放1个元素
new Thread(() -> {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 入队列 0");
synchronousQueue.put(0);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
// 3. 等待1000毫秒
Thread.sleep(1000L);
// 4. 启动一个线程，往队列中放1个元素
new Thread(() -> {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 入队列 1");
synchronousQueue.put(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
// 5. 等待1000毫秒
Thread.sleep(1000L);
// 6. 再启动一个线程，从队列中取出1个元素
new Thread(() -> {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 出队列 " + synchronousQueue.take());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
// 7. 等待1000毫秒
Thread.sleep(1000L);
// 8. 再启动一个线程，从队列中取出1个元素
new Thread(() -> {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 出队列 " + synchronousQueue.take());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
}
}输出结果：
Thread-0 入队列 0
Thread-1 入队列 1
Thread-2 出队列 1
Thread-3 出队列 0
从输出结果中可以看出，符合栈结构先进后出的顺序。
3.3 栈节点源码
栈中的数据都是由一个个的节点组成的，先看一下节点类的源码：
// 节点
static final class SNode {
// 节点值（取数据的时候，该字段为null）
Object item;
// 存取数据的线程
volatile Thread waiter;
// 节点模式
int mode;
// 匹配到的节点
volatile SNode match;
// 后继节点
volatile SNode next;
}item
节点值，只在存数据的时候用。取数据的时候，这个值是null。
waiter
存取数据的线程，如果没有对应的接收线程，这个线程会被阻塞。
mode
节点模式，共有3种类型：
| 类型值 | 类型描述 | 类型的作用 |
|---|---|---|
| 0 | REQUEST | 表示取数据 |
| 1 | DATA | 表示存数据 |
| 2 | FULFILLING | 表示正在等待执行（比如取数据的线程，等待其他线程放数据） |
3.4 put/take流程
放数据和取数据的逻辑，在底层复用的是同一个方法，以put/take方法为例，另外两个放数据的方法，add和offer方法底层实现是一样的。
先看一下数据流转的过程，方便理解源码。
还是以上面的case为例：
- Thread0先往SynchronousQueue队列中放入元素0
- Thread1再往SynchronousQueue队列放入元素1
- Thread2从SynchronousQueue队列中取出一个元素
第一步：Thread0先往SynchronousQueue队列中放入元素0
把本次操作组装成SNode压入栈顶，item是元素0，waiter是当前线程Thread0，mode是1表示放入数据。
第二步：Thread1再往SynchronousQueue队列放入元素1
把本次操作组装成SNode压入栈顶，item是元素1，waiter是当前线程Thread1，mode是1表示放入数据，next是SNode0。
第三步：Thread2从SynchronousQueue队列中取出一个元素
这次的操作比较复杂，也是先把本次的操作包装成SNode压入栈顶。
item是null（取数据的时候，这个字段没有值），waiter是null（当前线程Thread2正在操作，所以不用赋值了），mode是2表示正在操作（即将跟后继节点进行匹配），next是SNode1。
然后，Thread2开始把栈顶的两个节点进行匹配，匹配成功后，就把SNode2赋值给SNode1的match属性，唤醒SNode1中的Thread1线程，然后弹出SNode2节点和SNode1节点。
3.5 put/take源码实现
先看一下put方法源码：
// 放数据
public void put(E e) throws InterruptedException {
// 不允许放null元素
if (e == null)
throw new NullPointerException();
// 调用转换器实现类，放元素
if (transferer.transfer(e, false, 0) == null) {
// 如果放数据失败，就中断当前线程，并抛出异常
Thread.interrupted();
throw new InterruptedException();
}
}核心逻辑都在transfer方法中，代码很长，理清逻辑后，也很容易理解。
// 取数据和放数据操作，共用一个方法
E transfer(E e, boolean timed, long nanos) {
SNode s = null;
// e为空，说明是取数据，否则是放数据
int mode = (e == null) ? REQUEST : DATA;
for (; ; ) {
SNode h = head;
// 1. 如果栈顶节点为空，或者栈顶节点类型跟本次操作相同（都是取数据，或者都是放数据）
if (h == null || h.mode == mode) {
// 2. 判断节点是否已经超时
if (timed && nanos <= 0) {
// 3. 如果栈顶节点已经被取消，就删除栈顶节点
if (h != null && h.isCancelled())
casHead(h, h.next);
else
return null;
// 4. 把本次操作包装成SNode，压入栈顶
} else if (casHead(h, s = snode(s, e, h, mode))) {
// 5. 挂起当前线程，等待被唤醒
SNode m = awaitFulfill(s, timed, nanos);
// 6. 如果这个节点已经被取消，就删除这个节点
if (m == s) {
clean(s);
return null;
}
// 7. 把s.next设置成head
if ((h = head) != null && h.next == s)
casHead(h, s.next);
return (E) ((mode == REQUEST) ? m.item : s.item);
}
// 8. 如果栈顶节点类型跟本次操作不同，并且不是FULFILLING类型
} else if (!isFulfilling(h.mode)) {
// 9. 再次判断如果栈顶节点已经被取消，就删除栈顶节点
if (h.isCancelled())
casHead(h, h.next);
// 10. 把本次操作包装成SNode（类型是FULFILLING），压入栈顶
else if (casHead(h, s = snode(s, e, h, FULFILLING | mode))) {
// 11. 使用死循环，直到匹配到对应的节点
for (; ; ) {
// 12. 遍历下个节点
SNode m = s.next;
// 13. 如果节点是null，表示遍历到末尾，设置栈顶节点是null，结束。
if (m == null) {
casHead(s, null);
s = null;
break;
}
SNode mn = m.next;
// 14. 如果栈顶的后继节点跟栈顶节点匹配成功，就删除这两个节点，结束。
if (m.tryMatch(s)) {
casHead(s, mn);
return (E) ((mode == REQUEST) ? m.item : s.item);
} else
// 15. 如果没有匹配成功，就删除栈顶的后继节点，继续匹配
s.casNext(m, mn);
}
}
} else {
// 16. 如果栈顶节点类型跟本次操作不同，并且是FULFILLING类型，
// 就再执行一遍上面第11步for循环中的逻辑（很少概率出现）
SNode m = h.next;
if (m == null)
casHead(h, null);
else {
SNode mn = m.next;
if (m.tryMatch(h))
casHead(h, mn);
else
h.casNext(m, mn);
}
}
}
}transfer方法逻辑也很简单，就是判断本次操作类型是否跟栈顶节点相同，如果相同，就把本次操作压入栈顶。否则就跟栈顶节点匹配，唤醒栈顶节点线程，弹出栈顶节点。
transfer方法中调用了awaitFulfill方法，作用是挂起当前线程。
// 等待被唤醒
SNode awaitFulfill(SNode s, boolean timed, long nanos) {
// 1. 计算超时时间
final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
Thread w = Thread.currentThread();
// 2. 计算自旋次数
int spins = (shouldSpin(s) ?
(timed ? maxTimedSpins : maxUntimedSpins) : 0);
for (;;) {
if (w.isInterrupted())
s.tryCancel();
// 3. 如果已经匹配到其他节点，直接返回
SNode m = s.match;
if (m != null)
return m;
if (timed) {
// 4. 超时时间递减
nanos = deadline - System.nanoTime();
if (nanos <= 0L) {
s.tryCancel();
continue;
}
}
// 5. 自旋次数减一
if (spins > 0)
spins = shouldSpin(s) ? (spins-1) : 0;
else if (s.waiter == null)
s.waiter = w;
// 6. 开始挂起当前线程
else if (!timed)
LockSupport.park(this);
else if (nanos > spinForTimeoutThreshold)
LockSupport.parkNanos(this, nanos);
}
}awaitFulfill方法的逻辑也很简单，就是挂起当前线程。
take方法底层使用的也是transfer方法：
// 取数据
public E take() throws InterruptedException {
// // 调用转换器实现类，取数据
E e = transferer.transfer(null, false, 0);
if (e != null)
return e;
// 没取到，就中断当前线程
Thread.interrupted();
throw new InterruptedException();
}4. 总结
- SynchronousQueue是一种特殊的阻塞队列，队列长度是0，一个线程往队列放数据，必须等待另一个线程取走数据。同样，一个线程从队列中取数据，必须等待另一个线程往队列中放数据。
- SynchronousQueue底层是基于栈和队列两种数据结构实现的。
- Java线程池中的newCachedThreadPool（带缓存的线程池）底层就是使用SynchronousQueue实现的。
- 如果希望你的任务需要被快速处理，可以使用SynchronousQueue队列。
到此这篇关于Java中SynchronousQueue的底层实现原理剖析的文章就介绍到这了,更多相关Java SynchronousQueue内容请搜索编程网以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持编程网！
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