詳解Java七大阻塞隊列之SynchronousQueue

更新時間：2021年09月03日 17:18:08 作者：Dongguabai

SynchronousQueue不需要存儲線程間交換的數(shù)據(jù)，它的作用像是一個匹配器，使生產(chǎn)者和消費者一一匹配。本文詳細講解了Java七大阻塞隊列之一SynchronousQueue，需要了解的小伙伴可以參考一下這篇文章

package dongguabai.test.juc.test;

import java.util.concurrent.SynchronousQueue;

/**
 * @author Dongguabai
 * @description
 * @date 2021-09-01 21:52
 */
public class TestSynchronousQueue {

    public static void main(String[] args) {
        SynchronousQueue synchronousQueue = new SynchronousQueue();
        boolean add = synchronousQueue.add("1");
        System.out.println(add);
    }
}

代碼很簡單，就是往 SynchronousQueue 里放了一個元素，程序卻拋異常了：

Exception in thread "main" java.lang.IllegalStateException: Queue full
	at java.util.AbstractQueue.add(AbstractQueue.java:98)
	at dongguabai.test.juc.test.TestSynchronousQueue.main(TestSynchronousQueue.java:14)

而異常原因是隊列滿了。剛剛使用的是 SynchronousQueue#add 方法，現(xiàn)在來看看 SynchronousQueue#put 方法：

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynchronousQueue synchronousQueue = new SynchronousQueue();
        synchronousQueue.put("1");
        System.out.println("----");
    }

看到 InterruptedException 其實就能猜出這個方法肯定會阻塞當(dāng)前線程。

通過這兩個例子，也就解釋了 SynchronousQueue 隊列是沒有容量的，也就是說在往 SynchronousQueue 中添加元素之前，得先向 SynchronousQueue 中取出元素，這句話聽著很別扭，那可以換個角度猜想其實現(xiàn)原理，調(diào)用取出方法的時候設(shè)置了一個“已經(jīng)有線程在等待取出”的標(biāo)識，線程等待，然后添加元素的時候，先看這個標(biāo)識，如果有線程在等待取出，則添加成功，反之則拋出異常或者阻塞。

分析

接下來從 SynchronousQueue#put 方法開始進行分析：

    public void put(E e) throws InterruptedException {
        if (e == null) throw new NullPointerException();
        if (transferer.transfer(e, false, 0) == null) {
            Thread.interrupted();
            throw new InterruptedException();
        }
    }

可以發(fā)現(xiàn)是調(diào)用的 Transferer#transfer 方法，這個 Transferer 是在構(gòu)造 SynchronousQueue 的時候初始化的：

    public SynchronousQueue(boolean fair) {
        transferer = fair ? new TransferQueue<E>() : new TransferStack<E>();
    }

SynchronousQueue 有兩種模式，公平與非公平，默認是非公平，非公平使用的就是 TransferStack，是基于單向鏈表做的：

 static final class SNode {
            volatile SNode next;        // next node in stack
            volatile SNode match;       // the node matched to this
            volatile Thread waiter;     // to control park/unpark
            Object item;                // data; or null for REQUESTs
            int mode;
   ...
 }

那么重點就是 SynchronousQueue.TransferStack#transfer 方法了，從方法名都可以看出這是用來做數(shù)據(jù)交換的，但是這個方法有好幾十行，里面各種 Node 指針搞來搞去，這個地方我覺得沒必要過于糾結(jié)細節(jié)，老規(guī)矩，抓大放小，而且隊列這種，很方便進行 Debug 調(diào)試。

再理一下思路：

今天研究的是阻塞隊列，關(guān)注阻塞的話，更應(yīng)該關(guān)系的是 take 和 put 方法；
Transferer 是一個抽象類，只有一個 transfer 方法，即 take 和 put 共用，那就肯定是基于入?yún)⑦M行功能的區(qū)分；
take 和 put 方法底層都調(diào)用的 SynchronousQueue.TransferStack#transfer 方法；

將上面 SynchronousQueue#put 使用的例子修改一下，再加一個線程take：

package dongguabai.test.juc.test;

import java.util.Date;
import java.util.concurrent.SynchronousQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * @author Dongguabai
 * @description
 * @date 2021-09-01 21:52
 */
public class TestSynchronousQueue {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynchronousQueue synchronousQueue = new SynchronousQueue();
        new Thread(()->{
            System.out.println(new Date().toLocaleString()+"：："+Thread.currentThread().getName()+"-put了數(shù)據(jù)："+"1");

            try {
                synchronousQueue.put("1");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
        System.out.println("----");
        new Thread(()->{
            Object take = null;
            try {
                take = synchronousQueue.take();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(new Date().toLocaleString()+"：："+Thread.currentThread().getName()+"-take到了數(shù)據(jù)："+take);
        }).start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        System.out.println("結(jié)束...");
    }
}

整個程序結(jié)束，并且輸出：

----
2021-9-2 0:58:55：：Thread-0-put了數(shù)據(jù)：1
2021-9-2 0:58:55：：Thread-1-take到了數(shù)據(jù)：1
結(jié)束...

也就是說當(dāng)一個線程在 put 的時候，如果有線程 take ，那么 put 線程可以正常運行，不會被阻塞。

基于這個例子，再結(jié)合上文的猜想，也就是說核心點就是找到 put 的時候現(xiàn)在已經(jīng)有線程在 take 的標(biāo)識，或者 take 的時候已經(jīng)有線程在 put，這個標(biāo)識不一定是變量，結(jié)合 AQS 的原理來看，很可能是根據(jù)鏈表中的 Node 進行判斷。

接下來看 SynchronousQueue.put 方法：

    public void put(E e) throws InterruptedException {
        if (e == null) throw new NullPointerException();
        if (transferer.transfer(e, false, 0) == null) {
            Thread.interrupted();
            throw new InterruptedException();
        }
    }

它底層也是調(diào)用的 SynchronousQueue.TransferStack#transfer 方法，但是傳入?yún)?shù)是當(dāng)前 put 的元素、false 和 0。再回過頭看 SynchronousQueue.TransferStack#transfer 方法：

E transfer(E e, boolean timed, long nanos) {
            SNode s = null; // constructed/reused as needed
  					//這里的參數(shù)e就是要put的元素，顯然不為null，也就是說是DATA模式，根據(jù)注釋，DATA模式就說明當(dāng)前線程是producer
            int mode = (e == null) ? REQUEST : DATA;  

            for (;;) {
                SNode h = head;
                if (h == null || h.mode == mode) {  // empty or same-mode
                    if (timed && nanos <= 0) {      // can't wait
                        if (h != null && h.isCancelled())
                            casHead(h, h.next);     // pop cancelled node
                        else
                            return null;
                    } else if (casHead(h, s = snode(s, e, h, mode))) {
                        //因為第一次put那么h肯定為null，這里入?yún)imed為false，所以會到這里，執(zhí)行awaitFulfill方法，根據(jù)名稱可以猜想出是一個阻塞方法
                        SNode m = awaitFulfill(s, timed, nanos);
                        if (m == s) {               // wait was cancelled
                            clean(s);
                            return null;
                        }
                   ....
        }

這里首先會構(gòu)造一個 SNode，然后執(zhí)行 casHead 函數(shù)，其實最終棧結(jié)構(gòu)就是：

head->put_e

就是 head 會指向 put 的元素對應(yīng)的 SNode。

然后會執(zhí)行 awaitFulfill 方法：

SNode awaitFulfill(SNode s, boolean timed, long nanos) {
            final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
            Thread w = Thread.currentThread();
            int spins = (shouldSpin(s) ?
                         (timed ? maxTimedSpins : maxUntimedSpins) : 0);
            for (;;) {
                if (w.isInterrupted())
                    s.tryCancel();
                SNode m = s.match;
                if (m != null)
                    return m;
                if (timed) {
                    nanos = deadline - System.nanoTime();
                    if (nanos <= 0L) {
                        s.tryCancel();
                        continue;
                    }
                }
                if (spins > 0)
                    spins = shouldSpin(s) ? (spins-1) : 0;    //自旋機制
                else if (s.waiter == null)
                    s.waiter = w; // establish waiter so can park next iter
                else if (!timed)
                    LockSupport.park(this); //阻塞
                else if (nanos > spinForTimeoutThreshold)
                    LockSupport.parkNanos(this, nanos);
            }
        }

最終還是會使用 LockSupport 進行阻塞，等待喚醒。

已經(jīng)大致過了一遍流程了，細節(jié)方面就不再糾結(jié)了，那么假如再put 一個元素呢，其實結(jié)合源碼已經(jīng)可以分析出此時棧的結(jié)果為：

head-->put_e_1-->put_e

避免分析出錯，寫個 Debug 的代碼驗證一下：

package dongguabai.test.juc.test;

import java.util.concurrent.SynchronousQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * @author Dongguabai
 * @description
 * @date 2021-09-02 02:15
 */
public class DebugPut2E {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynchronousQueue synchronousQueue = new SynchronousQueue();
        new Thread(()-> {
            try {
                synchronousQueue.put("1");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        new Thread(()-> {
            try {
                synchronousQueue.put("2");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
    }
}

在 SynchronousQueue.TransferStack#awaitFulfill 方法的 LockSupport.park(this); 處打上斷點，運行上面的代碼，再看看現(xiàn)在的 head：

在這里插入圖片描述

的確與分析的一致。

也就是先進后出。再看 take 方法：

    public E take() throws InterruptedException {
        E e = transferer.transfer(null, false, 0);
        if (e != null)
            return e;
        Thread.interrupted();
        throw new InterruptedException();
    }

調(diào)用的 SynchronousQueue.TransferStack#transfer 方法，但是傳入?yún)?shù)是 null、false 和 0。

偷個懶就不分析源碼了，直接 Debug 走一遍，代碼如下：

package dongguabai.test.juc.test;

import java.util.concurrent.SynchronousQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * @author Dongguabai
 * @description
 * @date 2021-09-02 02:24
 */
public class DebugTake {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynchronousQueue synchronousQueue = new SynchronousQueue();
        new Thread(()-> {
            try {
                synchronousQueue.put("1");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        },"Thread-put-1").start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        new Thread(()-> {
            try {
                synchronousQueue.put("2");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        },"Thread-put-2").start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        new Thread(()->{
            try {
                Object take = synchronousQueue.take();
                System.out.println("======take:"+take);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        },"Thread-Take").start();
    }
}

在 SynchronousQueue#take 方法中打上斷點，運行上面的代碼：

在這里插入圖片描述

這里的 s 就是 head，m 就是棧頂?shù)脑兀彩亲罱淮?put 的元素。說白了 take 就是取的棧頂?shù)脑?，最后再匹配一下，符合條件就直接取出來。take 之后 head 為：

在這里插入圖片描述

棧的結(jié)構(gòu)為：

head-->put_e

最后再把整個流程梳理一遍：

執(zhí)行 put 操作的時候，每次壓入棧頂；take 的時候就取棧頂?shù)脑?，即先進后出；這也就實現(xiàn)了非公平；

至于公平模式，結(jié)合 TransferStack 的實現(xiàn)，可以猜測實現(xiàn)就是 put 的時候放入隊列，take 的時候從隊列頭部開始取，先進先出。

那么這個隊列設(shè)計的優(yōu)勢使用場景在哪里呢？個人感覺它的優(yōu)勢就是完全不會產(chǎn)生對隊列中數(shù)據(jù)的爭搶，因為說白了隊列是空的，從某種程度上來說消費速率是很快的。

至于使用場景，我這邊的確沒有想到比較好的使用場景。結(jié)合組內(nèi)同學(xué)的使用來看，他選擇使用這個隊列的原因是因為它不會在內(nèi)存中生成任務(wù)隊列，當(dāng)服務(wù)宕機后不用擔(dān)心內(nèi)存中任務(wù)的丟失（非優(yōu)雅停機的情況）。經(jīng)過討論后發(fā)現(xiàn)即使使用了 SynchronousQueue 也無法有效的避免任務(wù)丟失，但這的確是一個思路，沒準(zhǔn)以后在其他場景中用得上。

到此這篇關(guān)于詳解Java七大阻塞隊列之SynchronousQueue的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java阻塞隊列 SynchronousQueue內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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