Java阻塞隊列SynchronousQueue實例分析

這篇文章主要講解了“Java阻塞隊列SynchronousQueue實例分析”，文中的講解內容簡單清晰，易于學習與理解，下面請大家跟著小編的思路慢慢深入，一起來研究和學習“Java阻塞隊列SynchronousQueue實例分析”吧！

目錄

• 分析

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 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原理，調用取出方法的時候設置了一個“已經有線程在等待取出”的標識，線程等待，然后添加元素的時候，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據交換的，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，關注阻塞的話，更應該關系的是 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了數據："+"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到了數據："+take);
        }).start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        System.out.println("結束...");
    }
}

整個程序結束，并且輸出：

----
2021-9-2 0:58:55：：Thread-0-put了數據：1
2021-9-2 0:58:55：：Thread-1-take到了數據：1
結束...

也就是說當一個線程在 put 的時候，如果有線程 take ，那么 put 線程可以正常運行，不會被阻塞。

基于這個例子，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
  					//這里的參數e就是要put的元素，顯然不為null，也就是說是DATA模式，根據注釋，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那么h肯定為null，這里入參timed為false，所以會到這里，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;
                        }
                   ....
        }

這里首先會構造一個 SNode，然后執行 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。

然后會執行 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。

已經大致過了一遍流程了，細節方面就不再糾結了，那么假如再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：

這里的 s 就是 head，m 就是棧頂的元素，也是最近一次 put 的元素。說白了 take 就是取的棧頂的元素，最后再匹配一下，符合條件就直接取出來。take 之后 head 為：

棧的結構為：

head-->put_e

最后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，即先進后出；這也就實現了非公平；

至于公平模式，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。

那么這個隊列設計的優勢使用場景在哪里呢？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，當服務宕機后不用擔心內存中任務的丟失（非優雅停機的情況）。經過討論后發現即使使用了 SynchronousQueue 也無法有效的避免任務丟失，但這的確是一個思路，沒準以后在其他場景中用得上。

感謝各位的閱讀，以上就是“Java阻塞隊列SynchronousQueue實例分析”的內容了，經過本文的學習后，相信大家對Java阻塞隊列SynchronousQueue實例分析這一問題有了更深刻的體會，具體使用情況還需要大家實踐驗證。這里是億速云，小編將為大家推送更多相關知識點的文章，歡迎關注！