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SynchronousQueue 1.8 源码解析
一，简介
SynchronousQueue 是一个很奇怪的队列，感觉都不能叫队列，因为内部没有数据的存储空间，队列不能peek，因为不存在元素，任何入队的线程都会阻塞，直到有线程来出队，也就是这个队列是一组操作，入队和出队要一起离开，出队也是一样，必须等入队，必须结伴而行；队列支持公平和非公平的模式(指的是队列匹配线程的顺序)，公平模式的数据结构是队列（FIFO），非公平模式使用的是栈（LIFO）。
二，UML 图
三，基本成员
abstract static class Transferer<E> {
// 出队入队都是这一个方法
abstract E transfer(E e, boolean timed, long nanos);
}
// npu数
static final int NCPUS = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
// 带超时时间的自旋次数
static final int maxTimedSpins = (NCPUS < 2) ? 0 : 32;
// 没有超时的自旋次数
static final int maxUntimedSpins = maxTimedSpins * 16;TransferStack 非公平的实现，主要成员
TransferStack 继承 Transferer
注意：这几个状态很重要，因为继承了Transferer，所以出队和入队都是使用的transfer方法，状态是用来区分的，后面方法部分会详解
/** 0表示消费者 */
static final int REQUEST = 0;
/** 1表示数据的生产者 */
static final int DATA = 1;
/** 2 表示数据正在匹配 */
static final int FULFILLING = 2;
static final class SNode {
volatile SNode next; // 下一个节点
volatile SNode match; // 匹配的节点
volatile Thread waiter; // 等待的线程
Object item; // 数据
int mode; // 模式 0 ， 1 ， 2
}
/** 头结点 */
volatile SNode head;TransferQueue 公平实现，主要成员
TransferQueue 继承 Transferer
static final class QNode {
volatile QNode next; // next 节点
volatile Object item; // 数据项
volatile Thread waiter; // 等待线程
final boolean isData; // 区分生产和消费
}
/** 头结点 */
transient volatile QNode head;
/** 尾节点 */
transient volatile QNode tail;四，常用方法
构造方法
public SynchronousQueue() {
this(false);
}
// 构造方法，fair表示公平或者非公平
public SynchronousQueue(boolean fair) {
transferer = fair ? new TransferQueue<E>() : new TransferStack<E>();
}TransferStack 非公平常用方法
offer 方法
public boolean offer(E e) {
// e 不能为null
if (e == null) throw new NullPointerException();
return transferer.transfer(e, true, 0) != null;
}
public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
// e 不能为null
if (e == null) throw new NullPointerException();
if (transferer.transfer(e, true, unit.toNanos(timeout)) != null)
return true;
if (!Thread.interrupted())
return false;
throw new InterruptedException();
}put 方法
public void put(E e) throws InterruptedException {
// e 不能为null
if (e == null) throw new NullPointerException();
if (transferer.transfer(e, false, 0) == null) {
// 支持中断
Thread.interrupted();
throw new InterruptedException();
}poll 方法
public E poll() {
return transferer.transfer(null, true, 0);
}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();
}transfer 方法
E transfer(E e, boolean timed, long nanos) {
SNode s = null; // constructed/reused as needed
// 根据所传元素判断为生产or消费
int mode = (e == null) ? REQUEST : DATA;
for (;;) { // 无限循环
SNode h = head; // 获取头结点
if (h == null || h.mode == mode) { // 头结点为空或者当前节点状态（0,1,2）和头结点相同
if (timed && nanos <= 0) { // can't wait 设置有时间
// 节点不为null并且为取消状态
if (h != null && h.isCancelled())
// 弹出取消的节点
casHead(h, h.next); // pop cancelled node
else
// 超时直接返回null
return null;
// 没有设置超时
} else if (casHead(h, s = snode(s, e, h, mode))) { // 将h设为自己的next节点
// 空旋或者阻塞直到s结点被FulFill操作所匹配
SNode m = awaitFulfill(s, timed, nanos);
if (m == s) { // wait was cancelled 节点被取消了
clean(s);
return null;
}
// 找到匹配的线程了
// h == head 可能已经已经被匹配
// h.next 等于s 不同类型
if ((h = head) != null && h.next == s)
// 弹出h 和 s
casHead(h, s.next); // help s's fulfiller
return (E) ((mode == REQUEST) ? m.item : s.item);
}
// 未匹配
} else if (!isFulfilling(h.mode)) { // try to fulfill // 尝试匹配节点
if (h.isCancelled()) // already cancelled // 节点被取消
casHead(h, h.next); // pop and retry // 修改头结点
else if (casHead(h, s=snode(s, e, h, FULFILLING|mode))) {
for (;;) { // loop until matched or waiters disappear
SNode m = s.next; // m is s's match
// 没有下一个节点了，结束这次循环，走最外层循环重新开始
if (m == null) { // all waiters are gone // m等于null
casHead(s, null); // pop fulfill node // cas 设置head
s = null; // use new node next time
break; // restart main loop // 结束循环
}
SNode mn = m.next;
if (m.tryMatch(s)) { // 尝试匹配，成功
casHead(s, mn); // pop both s and m
return (E) ((mode == REQUEST) ? m.item : s.item);
} else // lost match // 失败，说明m背的线程匹配了，或者取消了
s.casNext(m, mn); // help unlink // 修改next节点
}
}
} else { // help a fulfiller 正在匹配
SNode m = h.next; // m is h's match
if (m == null) // waiter is gone 匹配完成了
casHead(h, null); // pop fulfilling node
else {
SNode mn = m.next;
if (m.tryMatch(h)) // help match
casHead(h, mn); // pop both h and m
else // lost match
h.casNext(m, mn); // help unlink
}
}
}
}awaitFulfill 方法
SNode awaitFulfill(SNode s, boolean timed, long nanos) {
// 计算时间
final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
// 获取当前线程
Thread w = Thread.currentThread();
// shouldSpin控制自旋
// shouldSpin 用于检测当前节点是否需要自旋
// 如果栈为空、该节点是首节点或者该节点是匹配节点，则先采用自旋，否则阻塞
int spins = (shouldSpin(s) ?
(timed ? maxTimedSpins : maxUntimedSpins) : 0);
for (;;) { // 死循环
if (w.isInterrupted()) // 线程被中断
s.tryCancel();
SNode m = s.match;
if (m != null) // 存在匹配节点 ，返回
return m;
if (timed) { // 存在超时设置
nanos = deadline - System.nanoTime();
if (nanos <= 0L) {
s.tryCancel();
continue;
}
}
// 自旋;每次自旋的时候都需要检查自身是否满足自旋条件，满足就 - 1，否则为0
if (spins > 0)
spins = shouldSpin(s) ? (spins-1) : 0;
// 设置node的线程
else if (s.waiter == null)
s.waiter = w; // establish waiter so can park next iter
// 如果不是超时，就阻塞
else if (!timed)
LockSupport.park(this);
// 设置超时阻塞
else if (nanos > spinForTimeoutThreshold)
LockSupport.parkNanos(this, nanos);
}
}clean 方法
void clean(SNode s) {
s.item = null; // forget item
s.waiter = null; // forget thread
// next节点
SNode past = s.next;
// next节点也被中断了，直接删除
if (past != null && past.isCancelled())
past = past.next;
// Absorb cancelled nodes at head
// 从栈顶开始找，清除取消的节点
SNode p;
while ((p = head) != null && p != past && p.isCancelled())
casHead(p, p.next);
// Unsplice embedded nodes
// 从有效的头节点开始p ,到s的后继节点，继续清除
while (p != null && p != past) {
SNode n = p.next;
if (n != null && n.isCancelled())
p.casNext(n, n.next);
else
p = n;
}
}分析transfer 方法：
-
我们可以发现transfer 是通过e是空来判断是offer方法还是poll方法的，也就是入队者和出对者的区分。
-
第一种情况，如果队列为空head，或者队列存在的head节点和自己的模式相同，首先判断有没有超时或者取消，有就执行这些操作，没有就执行入队操作，然后把新加入的节点加入栈顶，然后调用awaitFulfill方法阻塞线程，直到被中断，超时或者匹配成功，为什么要阻塞了因为大家的模式都相同没法匹配，所以只能阻塞线程，直到一个不同模式的线程匹配成功，唤醒自己，这也是awaitFulfill方法的结束流程。
-
第二种情况，如果入队的模式不同，通过isFulfilling方法判断head节点有没有在匹配，没有就执行匹配流程，
首先判断节点是否被取消了，没有在判断自己是不是唯一的一个节点，如果是循环，重新开始流程，如果不是上面的这些情况，就可以开始匹配节点了，调用tryMatch方法，成功唤醒另一个节点，然后一起出栈，返回结果，失败就向后推进，找下一个节点，这里可能别的线程会竞争的匹配。
- 第三种情况，入队的模式不同，但是head节点正在匹配，那就帮助它匹配完成，然后重新走整个循环。
TransferQueue 公平常用方法
入队和出队的方法是一样的，我们主要看下transfer 方法吧。
transfer 方法
E transfer(E e, boolean timed, long nanos) {
QNode s = null; // constructed/reused as needed
// 判断是生产者 还是消费者
boolean isData = (e != null);
for (;;) {
QNode t = tail;
QNode h = head;
// 没有初始化
if (t == null || h == null) // saw uninitialized value
continue; // spin
// h==t 刚刚初始化 t.isData == isData，尾节点和当前节点的类型一样
if (h == t || t.isData == isData) { // empty or same-mode
QNode tn = t.next; // 获取尾节点
if (t != tail) // 尾节点发生变了变化 // inconsistent read
continue;
if (tn != null) { // 重设为节点 // lagging tail
advanceTail(t, tn);
continue;
}
if (timed && nanos <= 0) // 超时了 // can't wait
return null;
if (s == null) // 构建新节点
s = new QNode(e, isData);
if (!t.casNext(null, s)) // failed to link in 有竞争
continue;
// 替换尾节点
advanceTail(t, s); // swing tail and wait
// 自旋/阻塞 返回的是中断取消/匹配的节点
Object x = awaitFulfill(s, e, timed, nanos);
// 中断
if (x == s) { // wait was cancelled
clean(t, s);
return null;
}
// 匹配成功了，需要执行出队操作
if (!s.isOffList()) {
// not already unlinked
// 修改头结点
advanceHead(t, s); // unlink if head
if (x != null) // and forget fields
s.item = s;
s.waiter = null;
}
return (x != null) ? (E)x : e;
} else { // complementary-mode
// 出队从头元素开始
QNode m = h.next; // node to fulfill
if (t != tail || m == null || h != head) // 队列发生变化重来
continue; // inconsistent read
Object x = m.item;
// isData == (x != null) 判断模式是否相同,不相同才能匹配
// x == m 说明已经被中断或者超时了
// m.casItem(x, e) 匹配
if (isData == (x != null) || // m already fulfilled
x == m || // m cancelled
!m.casItem(x, e)) {// lost CAS
advanceHead(h, m); // dequeue and retry
continue;
}
// 匹配成功
// 替换头
advanceHead(h, m); // successfully fulfilled
// 唤醒等待线程
LockSupport.unpark(m.waiter); // 唤醒线程
return (x != null) ? (E)x : e;
}
}
}分析transfer方法：
- 也是通过e来判断是入队还是出队的，都是调用transfer方法，transfer方法可以看出两部分，入队和匹配。
- 第一部分入队，入队的模式也是相同的，入队是从尾节点开始，获取尾节点，判断尾节点有没有发生变化，可能存在多线程的情况，发生改变就重新遍历，没有就判断尾节点有没有next节点，有就说明别的线程添加了新的节点，需要更新尾节点，然后构造新的节点加入当前尾节点的next节点，更新尾节点，然后调用awaitFulfill阻塞当前节点，直到中断，超时或者匹配，然后清除匹配成功的节点，调用clean方法。
- 第二部分匹配（出队），出队是从头节点开始，然后判断模式是否不同，是否被取消，cas设置item，其实也就是数据的传递，如果匹配成功，唤醒等待在m的线程，这里注意把m设置成了头结点，其实就是把m节点弹出了，因为我们匹配取得头结点的next节点。
五，总结
SynchronousQueue 的实现还是很复杂的，我们可以发现虽然是个阻塞队列，可是没有使用锁；这个队列适合传递的场景，队列没有存储元素的队列，出队和入队必须结伴而行。
参考 《Java 并发编程的艺术》
来源：51CTO
作者：wx5c78c8b1dbb1b
链接：https://blog.51cto.com/14220760/2416470