Java中SynchronousQueue的底层实现原理剖析
作者：一灯架构
上篇文章谈到BlockingQueue的使用场景，并重点分析了ArrayBlockingQueue的实现原理，了解到ArrayBlockingQueue底层是基于数组实现的阻塞队列。
但是BlockingQueue的实现类中，有一种阻塞队列比较特殊，就是SynchronousQueue（同步移交队列），队列长度为0。
作用就是一个线程往队列放数据的时候，必须等待另一个线程从队列中取走数据。同样，从队列中取数据的时候，必须等待另一个线程往队列中放数据。
这样特殊的队列，有什么应用场景呢？
1. SynchronousQueue用法
先看一个SynchronousQueue的简单用例：
/**
* @author 一灯架构
* @apiNote SynchronousQueue示例
**/
public class SynchronousQueueDemo {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 1. 创建SynchronousQueue队列
BlockingQueue<Integer> synchronousQueue = new SynchronousQueue<>();
// 2. 启动一个线程，往队列中放3个元素
new Thread(() -> {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 入队列 1");
synchronousQueue.put(1);
Thread.sleep(1);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 入队列 2");
synchronousQueue.put(2);
Thread.sleep(1);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 入队列 3");
synchronousQueue.put(3);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
// 3. 等待1000毫秒
Thread.sleep(1000L);
// 4. 再启动一个线程，从队列中取出3个元素
new Thread(() -> {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 出队列 " + synchronousQueue.take());
Thread.sleep(1);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 出队列 " + synchronousQueue.take());
Thread.sleep(1);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 出队列 " + synchronousQueue.take());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
}
}输出结果：
Thread-0 入队列 1
Thread-1 出队列 1
Thread-0 入队列 2
Thread-1 出队列 2
Thread-0 入队列 3
Thread-1 出队列 3
从输出结果中可以看到，第一个线程Thread-0往队列放入一个元素1后，就被阻塞了。直到第二个线程Thread-1从队列中取走元素1后，Thread-0才能继续放入第二个元素2。
由于SynchronousQueue是BlockingQueue的实现类，所以也实现类BlockingQueue中几组抽象方法：
为了满足不同的使用场景，BlockingQueue设计了很多的放数据和取数据的方法。
| 操作 | 抛出异常 | 返回特定值 | 阻塞 | 阻塞一段时间 |
|---|---|---|---|---|
| 放数据 | add | offer | put | offer(e, time, unit) |
| 取数据 | remove | poll | take | poll(time, unit) |
| 查看数据（不删除） | element() | peek() | 不支持 | 不支持 |
这几组方法的不同之处就是：
- 当队列满了，再往队列中放数据，add方法抛异常，offer方法返回false，put方法会一直阻塞（直到有其他线程从队列中取走数据），offer(e, time, unit)方法阻塞指定时间然后返回false。
- 当队列是空，再从队列中取数据，remove方法抛异常，poll方法返回null，take方法会一直阻塞（直到有其他线程往队列中放数据），poll(time, unit)方法阻塞指定时间然后返回null。
- 当队列是空，再去队列中查看数据（并不删除数据），element方法抛异常，peek方法返回null。
工作中使用最多的就是offer、poll阻塞指定时间的方法。
2. SynchronousQueue应用场景
SynchronousQueue的特点：
队列长度是0，一个线程往队列放数据，必须等待另一个线程取走数据。同样，一个线程从队列中取数据，必须等待另一个线程往队列中放数据。
这种特殊的实现逻辑有什么应用场景呢？
我的理解就是，如果你希望你的任务需要被快速处理，就可以使用这种队列。
Java线程池中的newCachedThreadPool（带缓存的线程池）底层就是使用SynchronousQueue实现的。
public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
60L, TimeUnit.SECONDS,
new SynchronousQueue<Runnable>());
}newCachedThreadPool线程池的核心线程数是0，最大线程数是Integer的最大值，线程存活时间是60秒。
如果你使用newCachedThreadPool线程池，你提交的任务会被更快速的处理，因为你每次提交任务，都会有一个空闲的线程等着处理任务。如果没有空闲的线程，也会立即创建一个线程处理你的任务。
你想想，这处理效率，杠杠滴！
当然也有弊端，如果你提交了太多的任务，导致创建了大量的线程，这些线程都在竞争CPU时间片，等待CPU调度，处理任务速度也会变慢，所以在使用过程中也要综合考虑。
3. SynchronousQueue源码解析
3.1 SynchronousQueue类属性
public class SynchronousQueue<E> extends AbstractQueue<E> implements BlockingQueue<E> {
// 转换器，取数据和放数据的核心逻辑都在这个类里面
private transient volatile Transferer<E> transferer;
// 默认的构造方法（使用非公平队列）
public SynchronousQueue() {
this(false);
}
// 有参构造方法，可以指定是否使用公平队列
public SynchronousQueue(boolean fair) {
transferer = fair ? new TransferQueue<E>() : new TransferStack<E>();
}
// 转换器实现类
abstract static class Transferer<E> {
abstract E transfer(E e, boolean timed, long nanos);
}
// 基于栈实现的非公平队列
static final class TransferStack<E> extends Transferer<E> {
}
// 基于队列实现的公平队列
static final class TransferQueue<E> extends Transferer<E> {
}
}可以看到SynchronousQueue默认的无参构造方法，内部使用的是基于栈实现的非公平队列，当然也可以调用有参构造方法，传参是true，使用基于队列实现的公平队列。
// 使用非公平队列（基于栈实现） BlockingQueue<Integer> synchronousQueue = new SynchronousQueue<>(); // 使用公平队列（基于队列实现） BlockingQueue<Integer> synchronousQueue = new SynchronousQueue<>(true);
本次就常用的栈实现来剖析SynchronousQueue的底层实现原理。
3.2 栈底层结构
栈结构，是非公平的，遵循先进后出。
使用个case测试一下：
/**
* @author 一灯架构
* @apiNote SynchronousQueue示例
**/
public class SynchronousQueueDemo {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 1. 创建SynchronousQueue队列
SynchronousQueue<Integer> synchronousQueue = new SynchronousQueue<>();
// 2. 启动一个线程，往队列中放1个元素
new Thread(() -> {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 入队列 0");
synchronousQueue.put(0);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
// 3. 等待1000毫秒
Thread.sleep(1000L);
// 4. 启动一个线程，往队列中放1个元素
new Thread(() -> {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 入队列 1");
synchronousQueue.put(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
// 5. 等待1000毫秒
Thread.sleep(1000L);
// 6. 再启动一个线程，从队列中取出1个元素
new Thread(() -> {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 出队列 " + synchronousQueue.take());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
// 7. 等待1000毫秒
Thread.sleep(1000L);
// 8. 再启动一个线程，从队列中取出1个元素
new Thread(() -> {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 出队列 " + synchronousQueue.take());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
}
}输出结果：
Thread-0 入队列 0
Thread-1 入队列 1
Thread-2 出队列 1
Thread-3 出队列 0
从输出结果中可以看出，符合栈结构先进后出的顺序。
3.3 栈节点源码
栈中的数据都是由一个个的节点组成的，先看一下节点类的源码：
// 节点
static final class SNode {
// 节点值（取数据的时候，该字段为null）
Object item;
// 存取数据的线程
volatile Thread waiter;
// 节点模式
int mode;
// 匹配到的节点
volatile SNode match;
// 后继节点
volatile SNode next;
}item
节点值，只在存数据的时候用。取数据的时候，这个值是null。
waiter
存取数据的线程，如果没有对应的接收线程，这个线程会被阻塞。
mode
节点模式，共有3种类型：
| 类型值 | 类型描述 | 类型的作用 |
|---|---|---|
| 0 | REQUEST | 表示取数据 |
| 1 | DATA | 表示存数据 |
| 2 | FULFILLING | 表示正在等待执行（比如取数据的线程，等待其他线程放数据） |
3.4 put/take流程
放数据和取数据的逻辑，在底层复用的是同一个方法，以put/take方法为例，另外两个放数据的方法，add和offer方法底层实现是一样的。
先看一下数据流转的过程，方便理解源码。
还是以上面的case为例：
- Thread0先往SynchronousQueue队列中放入元素0
- Thread1再往SynchronousQueue队列放入元素1
- Thread2从SynchronousQueue队列中取出一个元素
第一步：Thread0先往SynchronousQueue队列中放入元素0
把本次操作组装成SNode压入栈顶，item是元素0，waiter是当前线程Thread0，mode是1表示放入数据。
第二步：Thread1再往SynchronousQueue队列放入元素1
把本次操作组装成SNode压入栈顶，item是元素1，waiter是当前线程Thread1，mode是1表示放入数据，next是SNode0。
第三步：Thread2从SynchronousQueue队列中取出一个元素
这次的操作比较复杂，也是先把本次的操作包装成SNode压入栈顶。
item是null（取数据的时候，这个字段没有值），waiter是null（当前线程Thread2正在操作，所以不用赋值了），mode是2表示正在操作（即将跟后继节点进行匹配），next是SNode1。
然后，Thread2开始把栈顶的两个节点进行匹配，匹配成功后，就把SNode2赋值给SNode1的match属性，唤醒SNode1中的Thread1线程，然后弹出SNode2节点和SNode1节点。
3.5 put/take源码实现
先看一下put方法源码：
// 放数据
public void put(E e) throws InterruptedException {
// 不允许放null元素
if (e == null)
throw new NullPointerException();
// 调用转换器实现类，放元素
if (transferer.transfer(e, false, 0) == null) {
// 如果放数据失败，就中断当前线程，并抛出异常
Thread.interrupted();
throw new InterruptedException();
}
}核心逻辑都在transfer方法中，代码很长，理清逻辑后，也很容易理解。
// 取数据和放数据操作，共用一个方法
E transfer(E e, boolean timed, long nanos) {
SNode s = null;
// e为空，说明是取数据，否则是放数据
int mode = (e == null) ? REQUEST : DATA;
for (; ; ) {
SNode h = head;
// 1. 如果栈顶节点为空，或者栈顶节点类型跟本次操作相同（都是取数据，或者都是放数据）
if (h == null || h.mode == mode) {
// 2. 判断节点是否已经超时
if (timed && nanos <= 0) {
// 3. 如果栈顶节点已经被取消，就删除栈顶节点
if (h != null && h.isCancelled())
casHead(h, h.next);
else
return null;
// 4. 把本次操作包装成SNode，压入栈顶
} else if (casHead(h, s = snode(s, e, h, mode))) {
// 5. 挂起当前线程，等待被唤醒
SNode m = awaitFulfill(s, timed, nanos);
// 6. 如果这个节点已经被取消，就删除这个节点
if (m == s) {
clean(s);
return null;
}
// 7. 把s.next设置成head
if ((h = head) != null && h.next == s)
casHead(h, s.next);
return (E) ((mode == REQUEST) ? m.item : s.item);
}
// 8. 如果栈顶节点类型跟本次操作不同，并且不是FULFILLING类型
} else if (!isFulfilling(h.mode)) {
// 9. 再次判断如果栈顶节点已经被取消，就删除栈顶节点
if (h.isCancelled())
casHead(h, h.next);
// 10. 把本次操作包装成SNode（类型是FULFILLING），压入栈顶
else if (casHead(h, s = snode(s, e, h, FULFILLING | mode))) {
// 11. 使用死循环，直到匹配到对应的节点
for (; ; ) {
// 12. 遍历下个节点
SNode m = s.next;
// 13. 如果节点是null，表示遍历到末尾，设置栈顶节点是null，结束。
if (m == null) {
casHead(s, null);
s = null;
break;
}
SNode mn = m.next;
// 14. 如果栈顶的后继节点跟栈顶节点匹配成功，就删除这两个节点，结束。
if (m.tryMatch(s)) {
casHead(s, mn);
return (E) ((mode == REQUEST) ? m.item : s.item);
} else
// 15. 如果没有匹配成功，就删除栈顶的后继节点，继续匹配
s.casNext(m, mn);
}
}
} else {
// 16. 如果栈顶节点类型跟本次操作不同，并且是FULFILLING类型，
// 就再执行一遍上面第11步for循环中的逻辑（很少概率出现）
SNode m = h.next;
if (m == null)
casHead(h, null);
else {
SNode mn = m.next;
if (m.tryMatch(h))
casHead(h, mn);
else
h.casNext(m, mn);
}
}
}
}transfer方法逻辑也很简单，就是判断本次操作类型是否跟栈顶节点相同，如果相同，就把本次操作压入栈顶。否则就跟栈顶节点匹配，唤醒栈顶节点线程，弹出栈顶节点。
transfer方法中调用了awaitFulfill方法，作用是挂起当前线程。
// 等待被唤醒
SNode awaitFulfill(SNode s, boolean timed, long nanos) {
// 1. 计算超时时间
final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
Thread w = Thread.currentThread();
// 2. 计算自旋次数
int spins = (shouldSpin(s) ?
(timed ? maxTimedSpins : maxUntimedSpins) : 0);
for (;;) {
if (w.isInterrupted())
s.tryCancel();
// 3. 如果已经匹配到其他节点，直接返回
SNode m = s.match;
if (m != null)
return m;
if (timed) {
// 4. 超时时间递减
nanos = deadline - System.nanoTime();
if (nanos <= 0L) {
s.tryCancel();
continue;
}
}
// 5. 自旋次数减一
if (spins > 0)
spins = shouldSpin(s) ? (spins-1) : 0;
else if (s.waiter == null)
s.waiter = w;
// 6. 开始挂起当前线程
else if (!timed)
LockSupport.park(this);
else if (nanos > spinForTimeoutThreshold)
LockSupport.parkNanos(this, nanos);
}
}awaitFulfill方法的逻辑也很简单，就是挂起当前线程。
take方法底层使用的也是transfer方法：
// 取数据
public E take() throws InterruptedException {
// // 调用转换器实现类，取数据
E e = transferer.transfer(null, false, 0);
if (e != null)
return e;
// 没取到，就中断当前线程
Thread.interrupted();
throw new InterruptedException();
}4. 总结
- SynchronousQueue是一种特殊的阻塞队列，队列长度是0，一个线程往队列放数据，必须等待另一个线程取走数据。同样，一个线程从队列中取数据，必须等待另一个线程往队列中放数据。
- SynchronousQueue底层是基于栈和队列两种数据结构实现的。
- Java线程池中的newCachedThreadPool（带缓存的线程池）底层就是使用SynchronousQueue实现的。
- 如果希望你的任务需要被快速处理，可以使用SynchronousQueue队列。
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