详解Java七大阻塞队列之SynchronousQueue

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• 分析

其实SynchronousQueue 是一个特别有意思的阻塞队列，就我个人理解来说，它很重要的特点就是没有容量。

直接看一个例子：

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);
    }
}

代码很简单，就是往 SynchronousQueue 里放了一个元素，程序却抛异常了：

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)

而异常原因是队列满了。刚刚使用的是 SynchronousQueue#add 方法，现在来看看 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 其实就能猜出这个方法肯定会阻塞当前线程。

通过这两个例子，也就解释了 SynchronousQueue 队列是没有容量的，也就是说在往 SynchronousQueue 中添加元素之前，得先向 SynchronousQueue 中取出元素，这句话听着很别扭，那可以换个角度猜想其实现原理，调用取出方法的时候设置了一个“已经有线程在等待取出”的标识，线程等待，然后添加元素的时候，先看这个标识，如果有线程在等待取出，则添加成功，反之则抛出异常或者阻塞。

分析

接下来从 SynchronousQueue#put 方法开始进行分析：

    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();
        }
    }

可以发现是调用的 Transferer#transfer 方法，这个 Transferer 是在构造 SynchronousQueue 的时候初始化的：

    public SynchronousQueue(boolean fair) {
        transferer = fair ? new TransferQueue<E>() : new TransferStack<E>();
    }

SynchronousQueue 有两种模式，公平与非公平，默认是非公平，非公平使用的就是 TransferStack，是基于单向链表做的：

 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;
   ...
 }

那么重点就是 SynchronousQueue.TransferStack#transfer 方法了，从方法名都可以看出这是用来做数据交换的，但是这个方法有好几十行，里面各种 Node 指针搞来搞去，这个地方我觉得没必要过于纠结细节，老规矩，抓大放小，而且队列这种，很方便进行 Debug 调试。

再理一下思路：

• 今天研究的是阻塞队列，关注阻塞的话，更应该关系的是 take 和 put 方法；
• Transferer 是一个抽象类，只有一个 transfer 方法，即 take 和 put 共用，那就肯定是基于入参进行功能的区分；
• take 和 put 方法底层都调用的 SynchronousQueue.TransferStack#transfer 方法；

将上面 SynchronousQueue#put 使用的例子修改一下，再加一个线程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了数据："+"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到了数据："+take);
        }).start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        System.out.println("结束...");
    }
}

整个程序结束，并且输出：

----
2021-9-2 0:58:55：：Thread-0-put了数据：1
2021-9-2 0:58:55：：Thread-1-take到了数据：1
结束...

也就是说当一个线程在 put 的时候，如果有线程 take ，那么 put 线程可以正常运行，不会被阻塞。

基于这个例子，再结合上文的猜想，也就是说核心点就是找到 put 的时候现在已经有线程在 take 的标识，或者 take 的时候已经有线程在 put，这个标识不一定是变量，结合 AQS 的原理来看，很可能是根据链表中的 Node 进行判断。

接下来看 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();
        }
    }

它底层也是调用的 SynchronousQueue.TransferStack#transfer 方法，但是传入参数是当前 put 的元素、false 和 0。再回过头看 SynchronousQueue.TransferStack#transfer 方法：

E transfer(E e, boolean timed, long nanos) {
            SNode s = null; // constructed/reused as needed
  					//这里的参数e就是要put的元素，显然不为null，也就是说是DATA模式，根据注释，DATA模式就说明当前线程是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))) {
                        //因为第一次put那么h肯定为null，这里入参timed为false，所以会到这里，执行awaitFulfill方法，根据名称可以猜想出是一个阻塞方法
                        SNode m = awaitFulfill(s, timed, nanos);
                        if (m == s) {               // wait was cancelled
                            clean(s);
                            return null;
                        }
                   ....
        }

这里首先会构造一个 SNode，然后执行 casHead 函数，其实最终栈结构就是：

head->put_e

就是 head 会指向 put 的元素对应的 SNode。

然后会执行 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;    //自旋机制
                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);
            }
        }

最终还是会使用 LockSupport 进行阻塞，等待唤醒。

已经大致过了一遍流程了，细节方面就不再纠结了，那么假如再put 一个元素呢，其实结合源码已经可以分析出此时栈的结果为：

head-->put_e_1-->put_e

避免分析出错，写个 Debug 的代码验证一下：

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); 处打上断点，运行上面的代码，再看看现在的 head：

的确与分析的一致。

也就是先进后出。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();
    }

调用的 SynchronousQueue.TransferStack#transfer 方法，但是传入参数是 null、false 和 0。

偷个懒就不分析源码了，直接 Debug 走一遍，代码如下：

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 方法中打上断点，运行上面的代码：

这里的 s 就是 head，m 就是栈顶的元素，也是最近一次 put 的元素。说白了 take 就是取的栈顶的元素，最后再匹配一下，符合条件就直接取出来。take 之后 head 为：

栈的结构为：

head-->put_e

最后再把整个流程梳理一遍：

执行 put 操作的时候，每次压入栈顶；take 的时候就取栈顶的元素，即先进后出；这也就实现了非公平；

至于公平模式，结合 TransferStack 的实现，可以猜测实现就是 put 的时候放入队列，take 的时候从队列头部开始取，先进先出。

那么这个队列设计的优势使用场景在哪里呢？个人感觉它的优势就是完全不会产生对队列中数据的争抢，因为说白了队列是空的，从某种程度上来说消费速率是很快的。

至于使用场景，我这边的确没有想到比较好的使用场景。结合组内同学的使用来看，他选择使用这个队列的原因是因为它不会在内存中生成任务队列，当服务宕机后不用担心内存中任务的丢失（非优雅停机的情况）。经过讨论后发现即使使用了 SynchronousQueue 也无法有效的避免任务丢失，但这的确是一个思路，没准以后在其他场景中用得上。

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