Java阻塞隊列中的異類,SynchronousQueue底層實現原理剖析

来源:https://www.cnblogs.com/yidengjiagou/archive/2022/11/23/16919232.html
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上篇文章談到BlockingQueue的使用場景,並重點分析了ArrayBlockingQueue的實現原理,瞭解到ArrayBlockingQueue底層是基於數組實現的阻塞隊列。 但是BlockingQueue的實現類中,有一種阻塞隊列比較特殊,就是SynchronousQueue(同步移交隊... ...


上篇文章談到BlockingQueue的使用場景,並重點分析了ArrayBlockingQueue的實現原理,瞭解到ArrayBlockingQueue底層是基於數組實現的阻塞隊列。

但是BlockingQueue的實現類中,有一種阻塞隊列比較特殊,就是SynchronousQueue(同步移交隊列),隊列長度為0。

作用就是一個線程往隊列放數據的時候,必須等待另一個線程從隊列中取走數據。同樣,從隊列中取數據的時候,必須等待另一個線程往隊列中放數據。

這樣特殊的隊列,有什麼應用場景呢?

1. SynchronousQueue用法

先看一個SynchronousQueue的簡單用例:

/**
 * @author 一燈架構
 * @apiNote SynchronousQueue示例
 **/
public class SynchronousQueueDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 1. 創建SynchronousQueue隊列
        BlockingQueue<Integer> synchronousQueue = new SynchronousQueue<>();

        // 2. 啟動一個線程,往隊列中放3個元素
        new Thread(() -> {
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 入隊列 1");
                synchronousQueue.put(1);
                Thread.sleep(1);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 入隊列 2");
                synchronousQueue.put(2);
                Thread.sleep(1);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 入隊列 3");
                synchronousQueue.put(3);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();

        // 3. 等待1000毫秒
        Thread.sleep(1000L);

        // 4. 再啟動一個線程,從隊列中取出3個元素
        new Thread(() -> {
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 出隊列 " + synchronousQueue.take());
                Thread.sleep(1);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 出隊列 " + synchronousQueue.take());
                Thread.sleep(1);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 出隊列 " + synchronousQueue.take());
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
    }

}

輸出結果:

Thread-0 入隊列 1
Thread-1 出隊列 1
Thread-0 入隊列 2
Thread-1 出隊列 2
Thread-0 入隊列 3
Thread-1 出隊列 3

從輸出結果中可以看到,第一個線程Thread-0往隊列放入一個元素1後,就被阻塞了。直到第二個線程Thread-1從隊列中取走元素1後,Thread-0才能繼續放入第二個元素2。

由於SynchronousQueue是BlockingQueue的實現類,所以也實現類BlockingQueue中幾組抽象方法:

為了滿足不同的使用場景,BlockingQueue設計了很多的放數據和取數據的方法。

操作 拋出異常 返回特定值 阻塞 阻塞一段時間
放數據 add offer put offer(e, time, unit)
取數據 remove poll take poll(time, unit)
查看數據(不刪除) element() peek() 不支持 不支持

這幾組方法的不同之處就是:

  1. 當隊列滿了,再往隊列中放數據,add方法拋異常,offer方法返回false,put方法會一直阻塞(直到有其他線程從隊列中取走數據),offer(e, time, unit)方法阻塞指定時間然後返回false。
  2. 當隊列是空,再從隊列中取數據,remove方法拋異常,poll方法返回null,take方法會一直阻塞(直到有其他線程往隊列中放數據),poll(time, unit)方法阻塞指定時間然後返回null。
  3. 當隊列是空,再去隊列中查看數據(並不刪除數據),element方法拋異常,peek方法返回null。

工作中使用最多的就是offer、poll阻塞指定時間的方法。

2. SynchronousQueue應用場景

SynchronousQueue的特點:

隊列長度是0,一個線程往隊列放數據,必須等待另一個線程取走數據。同樣,一個線程從隊列中取數據,必須等待另一個線程往隊列中放數據。

這種特殊的實現邏輯有什麼應用場景呢?

我的理解就是,如果你希望你的任務需要被快速處理,就可以使用這種隊列。

Java線程池中的newCachedThreadPool(帶緩存的線程池)底層就是使用SynchronousQueue實現的。

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
    return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
            60L, TimeUnit.SECONDS,
            new SynchronousQueue<Runnable>());
}

newCachedThreadPool線程池的核心線程數是0,最大線程數是Integer的最大值,線程存活時間是60秒。

如果你使用newCachedThreadPool線程池,你提交的任務會被更快速的處理,因為你每次提交任務,都會有一個空閑的線程等著處理任務。如果沒有空閑的線程,也會立即創建一個線程處理你的任務。

你想想,這處理效率,杠杠滴!

當然也有弊端,如果你提交了太多的任務,導致創建了大量的線程,這些線程都在競爭CPU時間片,等待CPU調度,處理任務速度也會變慢,所以在使用過程中也要綜合考慮。

3. SynchronousQueue源碼解析

3.1 SynchronousQueue類屬性

public class SynchronousQueue<E> extends AbstractQueue<E> implements BlockingQueue<E> {

    // 轉換器,取數據和放數據的核心邏輯都在這個類裡面
    private transient volatile Transferer<E> transferer;

    // 預設的構造方法(使用非公平隊列)
    public SynchronousQueue() {
        this(false);
    }

    // 有參構造方法,可以指定是否使用公平隊列
    public SynchronousQueue(boolean fair) {
        transferer = fair ? new TransferQueue<E>() : new TransferStack<E>();
    }

    // 轉換器實現類
    abstract static class Transferer<E> {
        abstract E transfer(E e, boolean timed, long nanos);
    }

    // 基於棧實現的非公平隊列
    static final class TransferStack<E> extends Transferer<E> {
    }

    // 基於隊列實現的公平隊列
    static final class TransferQueue<E> extends Transferer<E> {
    }

}

可以看到SynchronousQueue預設的無參構造方法,內部使用的是基於棧實現的非公平隊列,當然也可以調用有參構造方法,傳參是true,使用基於隊列實現的公平隊列。

// 使用非公平隊列(基於棧實現)
BlockingQueue<Integer> synchronousQueue = new SynchronousQueue<>();
// 使用公平隊列(基於隊列實現)
BlockingQueue<Integer> synchronousQueue = new SynchronousQueue<>(true);

本次就常用的棧實現來剖析SynchronousQueue的底層實現原理。

3.2 棧底層結構

棧結構,是非公平的,遵循先進後出。

image

使用個case測試一下:

/**
 * @author 一燈架構
 * @apiNote SynchronousQueue示例
 **/
public class SynchronousQueueDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 1. 創建SynchronousQueue隊列
        SynchronousQueue<Integer> synchronousQueue = new SynchronousQueue<>();

        // 2. 啟動一個線程,往隊列中放1個元素
        new Thread(() -> {
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 入隊列 0");
                synchronousQueue.put(0);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();

        // 3. 等待1000毫秒
        Thread.sleep(1000L);

        // 4. 啟動一個線程,往隊列中放1個元素
        new Thread(() -> {
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 入隊列 1");
                synchronousQueue.put(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();

        // 5. 等待1000毫秒
        Thread.sleep(1000L);

        // 6. 再啟動一個線程,從隊列中取出1個元素
        new Thread(() -> {
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 出隊列 " + synchronousQueue.take());
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();

        // 7. 等待1000毫秒
        Thread.sleep(1000L);

        // 8. 再啟動一個線程,從隊列中取出1個元素
        new Thread(() -> {
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 出隊列 " + synchronousQueue.take());
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
    }

}

輸出結果:

Thread-0 入隊列 0
Thread-1 入隊列 1
Thread-2 出隊列 1
Thread-3 出隊列 0

從輸出結果中可以看出,符合棧結構先進後出的順序。

3.3 棧節點源碼

棧中的數據都是由一個個的節點組成的,先看一下節點類的源碼:

// 節點
static final class SNode {
    // 節點值(取數據的時候,該欄位為null)
    Object item;
    // 存取數據的線程
    volatile Thread waiter;
    // 節點模式
    int mode;
    // 匹配到的節點
    volatile SNode match;
    // 後繼節點
    volatile SNode next;
}
  • item

    節點值,只在存數據的時候用。取數據的時候,這個值是null。

  • waiter

    存取數據的線程,如果沒有對應的接收線程,這個線程會被阻塞。

  • mode

    節點模式,共有3種類型:

    類型值 類型描述 類型的作用
    0 REQUEST 表示取數據
    1 DATA 表示存數據
    2 FULFILLING 表示正在等待執行(比如取數據的線程,等待其他線程放數據)

3.4 put/take流程

放數據和取數據的邏輯,在底層復用的是同一個方法,以put/take方法為例,另外兩個放數據的方法,add和offer方法底層實現是一樣的。

先看一下數據流轉的過程,方便理解源碼。

還是以上面的case為例:

  1. Thread0先往SynchronousQueue隊列中放入元素0
  2. Thread1再往SynchronousQueue隊列放入元素1
  3. Thread2從SynchronousQueue隊列中取出一個元素

第一步:Thread0先往SynchronousQueue隊列中放入元素0

把本次操作組裝成SNode壓入棧頂,item是元素0,waiter是當前線程Thread0,mode是1表示放入數據。

image

第二步:Thread1再往SynchronousQueue隊列放入元素1

把本次操作組裝成SNode壓入棧頂,item是元素1,waiter是當前線程Thread1,mode是1表示放入數據,next是SNode0。

image

第三步:Thread2從SynchronousQueue隊列中取出一個元素

這次的操作比較複雜,也是先把本次的操作包裝成SNode壓入棧頂。

item是null(取數據的時候,這個欄位沒有值),waiter是null(當前線程Thread2正在操作,所以不用賦值了),mode是2表示正在操作(即將跟後繼節點進行匹配),next是SNode1。

image

然後,Thread2開始把棧頂的兩個節點進行匹配,匹配成功後,就把SNode2賦值給SNode1的match屬性,喚醒SNode1中的Thread1線程,然後彈出SNode2節點和SNode1節點。

image

image

3.5 put/take源碼實現

看完 了put/take流程,再來看源碼就簡單多了。

先看一下put方法源碼:

// 放數據
public void put(E e) throws InterruptedException {
    // 不允許放null元素
    if (e == null)
        throw new NullPointerException();
    // 調用轉換器實現類,放元素
    if (transferer.transfer(e, false, 0) == null) {
        // 如果放數據失敗,就中斷當前線程,並拋出異常
        Thread.interrupted();
        throw new InterruptedException();
    }
}

核心邏輯都在transfer方法中,代碼很長,理清邏輯後,也很容易理解。

// 取數據和放數據操作,共用一個方法
E transfer(E e, boolean timed, long nanos) {
    SNode s = null;
    // e為空,說明是取數據,否則是放數據
    int mode = (e == null) ? REQUEST : DATA;

    for (; ; ) {
        SNode h = head;
        // 1. 如果棧頂節點為空,或者棧頂節點類型跟本次操作相同(都是取數據,或者都是放數據)
        if (h == null || h.mode == mode) {
            // 2. 判斷節點是否已經超時
            if (timed && nanos <= 0) {
                // 3. 如果棧頂節點已經被取消,就刪除棧頂節點
                if (h != null && h.isCancelled())
                    casHead(h, h.next);
                else
                    return null;
                // 4. 把本次操作包裝成SNode,壓入棧頂
            } else if (casHead(h, s = snode(s, e, h, mode))) {
                // 5. 掛起當前線程,等待被喚醒
                SNode m = awaitFulfill(s, timed, nanos);
                // 6. 如果這個節點已經被取消,就刪除這個節點
                if (m == s) {
                    clean(s);
                    return null;
                }
                // 7. 把s.next設置成head
                if ((h = head) != null && h.next == s)
                    casHead(h, s.next);
                return (E) ((mode == REQUEST) ? m.item : s.item);
            }
            // 8. 如果棧頂節點類型跟本次操作不同,並且不是FULFILLING類型
        } else if (!isFulfilling(h.mode)) {
            // 9. 再次判斷如果棧頂節點已經被取消,就刪除棧頂節點
            if (h.isCancelled())
                casHead(h, h.next);
                // 10. 把本次操作包裝成SNode(類型是FULFILLING),壓入棧頂
            else if (casHead(h, s = snode(s, e, h, FULFILLING | mode))) {
                // 11. 使用死迴圈,直到匹配到對應的節點
                for (; ; ) {
                    // 12. 遍歷下個節點
                    SNode m = s.next;
                    // 13. 如果節點是null,表示遍歷到末尾,設置棧頂節點是null,結束。
                    if (m == null) {
                        casHead(s, null);
                        s = null;
                        break;
                    }
                    SNode mn = m.next;
                    // 14. 如果棧頂的後繼節點跟棧頂節點匹配成功,就刪除這兩個節點,結束。
                    if (m.tryMatch(s)) {
                        casHead(s, mn);
                        return (E) ((mode == REQUEST) ? m.item : s.item);
                    } else
                        // 15. 如果沒有匹配成功,就刪除棧頂的後繼節點,繼續匹配
                        s.casNext(m, mn);
                }
            }
        } else {
            // 16. 如果棧頂節點類型跟本次操作不同,並且是FULFILLING類型,
            // 就再執行一遍上面第11步for迴圈中的邏輯(很少概率出現)
            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方法邏輯也很簡單,就是判斷本次操作類型是否跟棧頂節點相同,如果相同,就把本次操作壓入棧頂。否則就跟棧頂節點匹配,喚醒棧頂節點線程,彈出棧頂節點。

transfer方法中調用了awaitFulfill方法,作用是掛起當前線程。

// 等待被喚醒
SNode awaitFulfill(SNode s, boolean timed, long nanos) {
    // 1. 計算超時時間
    final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
    Thread w = Thread.currentThread();
    // 2. 計算自旋次數
    int spins = (shouldSpin(s) ?
            (timed ? maxTimedSpins : maxUntimedSpins) : 0);
    for (;;) {
        if (w.isInterrupted())
            s.tryCancel();
        // 3. 如果已經匹配到其他節點,直接返回
        SNode m = s.match;
        if (m != null)
            return m;
        if (timed) {
            // 4. 超時時間遞減
            nanos = deadline - System.nanoTime();
            if (nanos <= 0L) {
                s.tryCancel();
                continue;
            }
        }
        // 5. 自旋次數減一
        if (spins > 0)
            spins = shouldSpin(s) ? (spins-1) : 0;
        else if (s.waiter == null)
            s.waiter = w;
        // 6. 開始掛起當前線程
        else if (!timed)
            LockSupport.park(this);
        else if (nanos > spinForTimeoutThreshold)
            LockSupport.parkNanos(this, nanos);
    }
}

awaitFulfill方法的邏輯也很簡單,就是掛起當前線程。

take方法底層使用的也是transfer方法:

// 取數據
public E take() throws InterruptedException {
    // // 調用轉換器實現類,取數據
    E e = transferer.transfer(null, false, 0);
    if (e != null)
        return e;
    // 沒取到,就中斷當前線程
    Thread.interrupted();
    throw new InterruptedException();
}

4. 總結

  1. SynchronousQueue是一種特殊的阻塞隊列,隊列長度是0,一個線程往隊列放數據,必須等待另一個線程取走數據。同樣,一個線程從隊列中取數據,必須等待另一個線程往隊列中放數據。
  2. SynchronousQueue底層是基於棧和隊列兩種數據結構實現的。
  3. Java線程池中的newCachedThreadPool(帶緩存的線程池)底層就是使用SynchronousQueue實現的。
  4. 如果希望你的任務需要被快速處理,可以使用SynchronousQueue隊列。

我是「一燈架構」,如果本文對你有幫助,歡迎各位小伙伴點贊、評論和關註,感謝各位老鐵,我們下期見

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