詳解Java七大阻塞隊列之SynchronousQueue
其實SynchronousQueue 是一個特別有意思的阻塞隊列，就我個人理解來說，它很重要的特點就是沒有容量。
直接看一個例子：
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 裡放瞭一個元素，程序卻拋異常瞭：
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瞭。剛剛使用的是 SynchronousQueue#add 方法，現在來看看 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前線程。
通過這兩個例子，也就解釋瞭 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原理，調用取出方法的時候設置瞭一個“已經有線程在等待取出”的標識，線程等待，然後添加元素的時候，先看這個標識，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();
}
}
可以發現是調用的 Transferer#transfer 方法，這個 Transferer 是在構造 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，是基於單向鏈表做的：
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;
...
}
那麼重點就是 SynchronousQueue.TransferStack#transfer 方法瞭，從方法名都可以看出這是用來做數據交換的，但是這個方法有好幾十行，裡面各種 Node 指針搞來搞去，這個地方我覺得沒必要過於糾結細節，老規矩，抓大放小，而且隊列這種，很方便進行 Debug 調試。
再理一下思路：
- 今天研究的是阻塞隊列，關註阻塞的話，更應該關系的是
take和put方法； Transferer是一個抽象類，隻有一個transfer方法，即take和put共用，那就肯定是基於入參進行功能的區分；take和put方法底層都調用的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瞭數據："+"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到瞭數據："+take);
}).start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
System.out.println("結束...");
}
}
整個程序結束，並且輸出：
—-
2021-9-2 0:58:55：：Thread-0-put瞭數據：1
2021-9-2 0:58:55：：Thread-1-take到瞭數據：1
結束…
也就是說當一個線程在 put 的時候，如果有線程 take ，那麼 put 線程可以正常運行，不會被阻塞。
基於這個例子，再結合上文的猜想，也就是說核心點就是找到 put 的時候現在已經有線程在 take 的標識，或者 take 的時候已經有線程在 put，這個標識不一定是變量，結合 AQS 的原理來看，很可能是根據鏈表中的 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();
}
}
它底層也是調用的 SynchronousQueue.TransferStack#transfer 方法，但是傳入參數是當前 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
//這裡的參數e就是要put的元素，顯然不為null，也就是說是DATA模式，根據註釋，DATA模式就說明當前線程是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那麼h肯定為null，這裡入參timed為false，所以會到這裡，執行awaitFulfill方法，根據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;
}
....
}
這裡首先會構造一個 SNode，然後執行 casHead 函數，其實最終棧結構就是：
head->put_e
就是 head 會指向 put 的元素對應的 SNode。
然後會執行 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。
已經大致過瞭一遍流程瞭，細節方面就不再糾結瞭，那麼假如再put 一個元素呢，其實結合源碼已經可以分析出此時棧的結果為：
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，再看看現在的 head：
的確與分析的一致。
也就是先進後出。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();
}
調用的 SynchronousQueue.TransferStack#transfer 方法，但是傳入參數是 null、false 和 0。
偷個懶就不分析源碼瞭，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：
這裡的 s 就是 head，m 就是棧頂的元素，也是最近一次 put 的元素。說白瞭 take 就是取的棧頂的元素，最後再匹配一下，符合條件就直接取出來。take 之後 head 為：
棧的結構為：
head–>put_e
最後再把整個流程梳理一遍：
執行 put 操作的時候，每次壓入棧頂；take 的時候就取棧頂的元素，即先進後出；這也就實現瞭非公平；
至於公平模式，結合 TransferStack 的實現，可以猜測實現就是 put 的時候放入隊列，take 的時候從隊列頭部開始取，先進先出。
那麼這個隊列設計的優勢使用場景在哪裡呢？個人感覺它的優勢就是完全不會產生對隊列中數據的爭搶，因為說白瞭隊列是空的，從某種程度上來說消費速率是很快的。
至於使用場景，我這邊的確沒有想到比較好的使用場景。結合組內同學的使用來看，他選擇使用這個隊列的原因是因為它不會在內存中生成任務隊列，當服務宕機後不用擔心內存中任務的丟失（非優雅停機的情況）。經過討論後發現即使使用瞭 SynchronousQueue 也無法有效的避免任務丟失，但這的確是一個思路，沒準以後在其他場景中用得上。
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