死磕 java集合之SynchronousQueue源码分析

问题

（1）SynchronousQueue的实现方式？

（2）SynchronousQueue真的是无缓冲的吗？

（3）SynchronousQueue在高并发情景下会有什么问题？

简介

SynchronousQueue是java并发包下无缓冲阻塞队列，它用来在两个线程之间移交元素，但是它有个很大的问题，你知道是什么吗？请看下面的分析。

源码分析

主要属性

// CPU的数量
static final int NCPUS = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
// 有超时的情况自旋多少次，当CPU数量小于2的时候不自旋
static final int maxTimedSpins = (NCPUS < 2) ? 0 : 32;
// 没有超时的情况自旋多少次
static final int maxUntimedSpins = maxTimedSpins * 16;
// 针对有超时的情况，自旋了多少次后，如果剩余时间大于1000纳秒就使用带时间的LockSupport.parkNanos()这个方法
static final long spinForTimeoutThreshold = 1000L;
// 传输器，即两个线程交换元素使用的东西
private transient volatile Transferer<E> transferer;

通过属性我们可以Get到两个点：

（1）这个阻塞队列里面是会自旋的；

（2）它使用了一个叫做transferer的东西来交换元素；

主要内部类

// Transferer抽象类，主要定义了一个transfer方法用来传输元素
abstract static class Transferer<E> {
    abstract E transfer(E e, boolean timed, long nanos);
}
// 以栈方式实现的Transferer
static final class TransferStack<E> extends Transferer<E> {
    // 栈中节点的几种类型：
    // 1. 消费者（请求数据的）
    static final int REQUEST    = 0;
    // 2. 生产者（提供数据的）
    static final int DATA       = 1;
    // 3. 二者正在撮合中
    static final int FULFILLING = 2;

    // 栈中的节点
    static final class SNode {
        // 下一个节点
        volatile SNode next;        // next node in stack
        // 匹配者
        volatile SNode match;       // the node matched to this
        // 等待着的线程
        volatile Thread waiter;     // to control park/unpark
        // 元素
        Object item;                // data; or null for REQUESTs
        // 模式，也就是节点的类型，是消费者，是生产者，还是正在撮合中
        int mode;
    }
    // 栈的头节点
    volatile SNode head;
}
// 以队列方式实现的Transferer
static final class TransferQueue<E> extends Transferer<E> {
    // 队列中的节点
    static final class QNode {
        // 下一个节点
        volatile QNode next;          // next node in queue
        // 存储的元素
        volatile Object item;         // CAS'ed to or from null
        // 等待着的线程
        volatile Thread waiter;       // to control park/unpark
        // 是否是数据节点
        final boolean isData;
    }

    // 队列的头节点
    transient volatile QNode head;
    // 队列的尾节点
    transient volatile QNode tail;
}

（1）定义了一个抽象类Transferer，里面定义了一个传输元素的方法；

（2）有两种传输元素的方法，一种是栈，一种是队列；

（3）栈的特点是后进先出，队列的特点是先进行出；

（4）栈只需要保存一个头节点就可以了，因为存取元素都是操作头节点；

（5）队列需要保存一个头节点一个尾节点，因为存元素操作尾节点，取元素操作头节点；

（6）每个节点中保存着存储的元素、等待着的线程，以及下一个节点；

（7）栈和队列两种方式有什么不同呢？请看下面的分析。

主要构造方法

public SynchronousQueue() {
    // 默认非公平模式
    this(false);
}

public SynchronousQueue(boolean fair) {
    // 如果是公平模式就使用队列，如果是非公平模式就使用栈
    transferer = fair ? new TransferQueue<E>() : new TransferStack<E>();
}

（1）默认使用非公平模式，也就是栈结构；

（2）公平模式使用队列，非公平模式使用栈；

入队

我们这里主要介绍以栈方式实现的传输模式，以put(E e)方法为例。

public void put(E e) throws InterruptedException {
    // 元素不可为空
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    // 直接调用传输器的transfer()方法
    // 三个参数分别是：传输的元素，是否需要超时，超时的时间
    if (transferer.transfer(e, false, 0) == null) {
        // 如果传输失败，直接让线程中断并抛出中断异常
        Thread.interrupted();
        throw new InterruptedException();
    }
}

调用transferer的transfer()方法，传入元素e，说明是生产者

出队

我们这里主要介绍以栈方式实现的传输模式，以take()方法为例。

public E take() throws InterruptedException {
    // 直接调用传输器的transfer()方法
    // 三个参数分别是：null，是否需要超时，超时的时间
    // 第一个参数为null表示是消费者，要取元素
    E e = transferer.transfer(null, false, 0);
    // 如果取到了元素就返回
    if (e != null)
        return e;
    // 否则让线程中断并抛出中断异常
    Thread.interrupted();
    throw new InterruptedException();
}

调用transferer的transfer()方法，传入null，说明是消费者。

transfer()方法

transfer()方法同时实现了取元素和放元素的功能，下面我再来看看这个transfer()方法里究竟干了什么。

// TransferStack.transfer()方法
E transfer(E e, boolean timed, long nanos) {
    SNode s = null; // constructed/reused as needed
    // 根据e是否为null决定是生产者还是消费者
    int mode = (e == null) ? REQUEST : DATA;
    // 自旋+CAS，熟悉的套路，熟悉的味道
    for (;;) {
        // 栈顶元素
        SNode h = head;
        // 栈顶没有元素，或者栈顶元素跟当前元素是一个模式的
        // 也就是都是生产者节点或者都是消费者节点
        if (h == null || h.mode == mode) {  // empty or same-mode
            // 如果有超时而且已到期
            if (timed && nanos <= 0) {      // can't wait
                // 如果头节点不为空且是取消状态
                if (h != null && h.isCancelled())
                    // 就把头节点弹出，并进入下一次循环
                    casHead(h, h.next);     // pop cancelled node
                else
                    // 否则，直接返回null（超时返回null）
                    return null;
            } else if (casHead(h, s = snode(s, e, h, mode))) {
                // 入栈成功（因为是模式相同的，所以只能入栈）
                // 调用awaitFulfill()方法自旋+阻塞当前入栈的线程并等待被匹配到
                SNode m = awaitFulfill(s, timed, nanos);
                // 如果m等于s，说明取消了，那么就把它清除掉，并返回null
                if (m == s) {               // wait was cancelled
                    clean(s);
                    // 被取消了返回null
                    return null;
                }

                // 到这里说明匹配到元素了
                // 因为从awaitFulfill()里面出来要不被取消了要不就匹配到了

                // 如果头节点不为空，并且头节点的下一个节点是s
                // 就把头节点换成s的下一个节点
                // 也就是把h和s都弹出了
                // 也就是把栈顶两个元素都弹出了
                if ((h = head) != null && h.next == s)
                    casHead(h, s.next);     // help s's fulfiller
                // 根据当前节点的模式判断返回m还是s中的值
                return (E) ((mode == REQUEST) ? m.item : s.item);
            }
        } else if (!isFulfilling(h.mode)) { // try to fulfill
            // 到这里说明头节点和当前节点模式不一样
            // 如果头节点不是正在撮合中

            // 如果头节点已经取消了，就把它弹出栈
            if (h.isCancelled())            // already cancelled
                casHead(h, h.next);         // pop and retry
            else if (casHead(h, s=snode(s, e, h, FULFILLING|mode))) {
                // 头节点没有在撮合中，就让当前节点先入队，再让他们尝试匹配
                // 且s成为了新的头节点，它的状态是正在撮合中
                for (;;) { // loop until matched or waiters disappear
                    SNode m = s.next;       // m is s's match
                    // 如果m为null，说明除了s节点外的节点都被其它线程先一步撮合掉了
                    // 就清空栈并跳出内部循环，到外部循环再重新入栈判断
                    if (m == null) {        // all waiters are gone
                        casHead(s, null);   // pop fulfill node
                        s = null;           // use new node next time
                        break;              // restart main loop
                    }
                    SNode mn = m.next;
                    // 如果m和s尝试撮合成功，就弹出栈顶的两个元素m和s
                    if (m.tryMatch(s)) {
                        casHead(s, mn);     // pop both s and m
                        // 返回撮合结果
                        return (E) ((mode == REQUEST) ? m.item : s.item);
                    } else                  // lost match
                        // 尝试撮合失败，说明m已经先一步被其它线程撮合了
                        // 就协助清除它
                        s.casNext(m, mn);   // help unlink
                }
            }
        } else {                            // help a fulfiller
            // 到这里说明当前节点和头节点模式不一样
            // 且头节点是正在撮合中

            SNode m = h.next;               // m is h's match
            if (m == null)                  // waiter is gone
                // 如果m为null，说明m已经被其它线程先一步撮合了
                casHead(h, null);           // pop fulfilling node
            else {
                SNode mn = m.next;
                // 协助匹配，如果m和s尝试撮合成功，就弹出栈顶的两个元素m和s
                if (m.tryMatch(h))          // help match
                    // 将栈顶的两个元素弹出后，再让s重新入栈
                    casHead(h, mn);         // pop both h and m
                else                        // lost match
                    // 尝试撮合失败，说明m已经先一步被其它线程撮合了
                    // 就协助清除它
                    h.casNext(m, mn);       // help unlink
            }
        }
    }
}

// 三个参数：需要等待的节点，是否需要超时，超时时间
SNode awaitFulfill(SNode s, boolean timed, long nanos) {
    // 到期时间
    final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
    // 当前线程
    Thread w = Thread.currentThread();
    // 自旋次数
    int spins = (shouldSpin(s) ?
                 (timed ? maxTimedSpins : maxUntimedSpins) : 0);
    for (;;) {
        // 当前线程中断了，尝试清除s
        if (w.isInterrupted())
            s.tryCancel();

        // 检查s是否匹配到了元素m（有可能是其它线程的m匹配到当前线程的s）
        SNode m = s.match;
        // 如果匹配到了，直接返回m
        if (m != null)
            return m;

        // 如果需要超时
        if (timed) {
            // 检查超时时间如果小于0了，尝试清除s
            nanos = deadline - System.nanoTime();
            if (nanos <= 0L) {
                s.tryCancel();
                continue;
            }
        }
        if (spins > 0)
            // 如果还有自旋次数，自旋次数减一，并进入下一次自旋
            spins = shouldSpin(s) ? (spins-1) : 0;

        // 后面的elseif都是自旋次数没有了
        else if (s.waiter == null)
            // 如果s的waiter为null，把当前线程注入进去，并进入下一次自旋
            s.waiter = w; // establish waiter so can park next iter
        else if (!timed)
            // 如果不允许超时，直接阻塞，并等待被其它线程唤醒，唤醒后继续自旋并查看是否匹配到了元素
            LockSupport.park(this);
        else if (nanos > spinForTimeoutThreshold)
            // 如果允许超时且还有剩余时间，就阻塞相应时间
            LockSupport.parkNanos(this, nanos);
    }
}

    // SNode里面的方向，调用者m是s的下一个节点
    // 这时候m节点的线程应该是阻塞状态的
    boolean tryMatch(SNode s) {
        // 如果m还没有匹配者，就把s作为它的匹配者
        if (match == null &&
            UNSAFE.compareAndSwapObject(this, matchOffset, null, s)) {
            Thread w = waiter;
            if (w != null) {    // waiters need at most one unpark
                waiter = null;
                // 唤醒m中的线程，两者匹配完毕
                LockSupport.unpark(w);
            }
            // 匹配到了返回true
            return true;
        }
        // 可能其它线程先一步匹配了m，返回其是否是s
        return match == s;
    }

整个逻辑比较复杂，这里为了简单起见，屏蔽掉多线程处理的细节，只描述正常业务场景下的逻辑：

（1）如果栈中没有元素，或者栈顶元素跟将要入栈的元素模式一样，就入栈；

（2）入栈后自旋等待一会看有没有其它线程匹配到它，自旋完了还没匹配到元素就阻塞等待；

（3）阻塞等待被唤醒了说明其它线程匹配到了当前的元素，就返回匹配到的元素；

（4）如果两者模式不一样，且头节点没有在匹配中，就拿当前节点跟它匹配，匹配成功了就返回匹配到的元素；

（5）如果两者模式不一样，且头节点正在匹配中，当前线程就协助去匹配，匹配完成了再让当前节点重新入栈重新匹配；

如果直接阅读这部分代码还是比较困难的，建议写个测试用例，打个断点一步一步跟踪调试。

下面是我的测试用例，可以参考下，在IDEA中可以让断点只阻塞线程:

public class TestSynchronousQueue {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynchronousQueue<Integer> queue = new SynchronousQueue<>(false);

        new Thread(()->{
            try {
                queue.put(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();

        Thread.sleep(500);
        System.out.println(queue.take());
    }
}

修改断点只阻塞线程的方法，右击断点，选择Thread：