一篇文章搞懂 SynchronousQueue

2023-12-08 08:58
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本文主要是介绍一篇文章搞懂 SynchronousQueue，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

前言

本文隶属于专栏《100个问题搞定Java并发》，该专栏为笔者原创，引用请注明来源，不足和错误之处请在评论区帮忙指出，谢谢！

本专栏目录结构和参考文献请见100个问题搞定Java并发

正文

WHAT

在对 Executors 的介绍中，提到了一个非常特殊的等待队列 SynchronousQueue

详情请见我的这篇博客——Executors 源码解析（JDK8）

SynchronousQueue 的容量为 0 ，任何一个对 SynchronousQueue 的写需要等待一个对 SynchronousQueue 的读，反之亦然。

因此， SynchronousQueue 与其说是一个队列，不如说是一个数据交换通道。

HOW

那 SynchronousQueue 的奇妙功能是如何实现的呢?

SynchronousQueue 和无锁的操作脱离不了关系，实际上 SynchronousQueue 内部也大量使用了无锁工具。

对 SynchronousQueue 来说，它将 put() 和 take() 两种功能截然不同的方法抽象为一个共同的方法 Transferer.transfer() 。

从字面上看，这就是数据传递的意思。

源码分析（JDK8）

/*** Shared internal API for dual stacks and queues.*/abstract static class Transferer<E> {/*** Performs a put or take.** @param e if non-null, the item to be handed to a consumer;*          if null, requests that transfer return an item*          offered by producer.* @param timed if this operation should timeout* @param nanos the timeout, in nanoseconds* @return if non-null, the item provided or received; if null,*         the operation failed due to timeout or interrupt --*         the caller can distinguish which of these occurred*         by checking Thread.interrupted.*/abstract E transfer(E e, boolean timed, long nanos);}

当参数 e 为非空时，表示当前操作传递给一个消费者，如果为空，则表示当前操作需要请求一个数据。

timed 参数决定是否存在 timeout 时间， nanos 决定了 timeout 的时长。

如果返回值非空，则表示数据已经接受或者正常提供;如果为空，则表示失败(超时或者中断)。

SynchronousQueue 内部会维护一个线程等待队列。

等待队列中会保存等待线程及相关数据的信息。

比如，生产者将数据放入 SynchronousQueue 时，如果没有消费者接收，那么数据本身和线程对象都会打包在队列中等待(因为 SynchronousQueue 容积为 0 ，没有数据可以正常放入)。

3 步

Transferer.transfer() 函数的实现是 SynchronousQueue 的核心，它大体上分为三个步骤。

  1. 如果等待队列为空，或者队列中节点的类型和本次操作是一致的，那么将当前操作压入队列等待。 比如，等待队列中是读线程等待，本次操作也是读，因此这两个读都需要等待。 进入等待队列的线程可能会被挂起，它们会等待一个“匹配”操作
  2. 如果等待队列中的元素和本次操作是互补的(比如等待操作是读，而本次操作是写)，那么就插入一个“完成”状态的节点，并且让它“匹配”到一个等待节点上。 接着弹出这两个节点，并且使得对应的两个线程继续执行。
  3. 如果线程发现等待队列的节点就是“完成”节点，那么帮助这个节点完成任务，其流程和步骤2是一致的。

步骤 1 的实现如下：

				SNode h = head;if (h == null || h.mode == mode) {  // empty or same-modeif (timed && nanos <= 0) {      // can't waitif (h != null && h.isCancelled())casHead(h, h.next);     // pop cancelled nodeelsereturn null;} else if (casHead(h, s = snode(s, e, h, mode))) {SNode m = awaitFulfill(s, timed, nanos);if (m == s) {               // wait was cancelledclean(s);return null;}if ((h = head) != null && h.next == s)casHead(h, s.next);     // help s's fulfillerreturn (E) ((mode == REQUEST) ? m.item : s.item);}}

在上述代码中，第 1 行 SNode 表示等待队列中的节点。

内部封装了当前线程、 next 节点、匹配节点、数据内容等信息。

第 2 行，判断当前等待队列为空，或者队列中元素的模式与本次操作相同(比如，都是读操作，那么都必须要等待)。

第 8 行，生成一个新的节点并置于队列头部，这个节点就代表当前线程。

如果入队成功，则执行第 9 行 awaitFulfill() 函数。

该函数会进行自旋等待，并最终挂起当前线程。

直到一个与之对应的操作产生，将其唤醒。

线程被唤醒后(表示已经读取到数据或者自己产生的数据己经被别的线程读取)，在第 14 ~ 15 行尝试帮助对应的线程完成两个头部节点的出队操作(这仅仅是友情帮助)，并在最后返回读取或者写入的数据(第 16 行)。

步骤 2 的实现如下：

				else if (!isFulfilling(h.mode)) { // try to fulfillif (h.isCancelled())            // already cancelledcasHead(h, h.next);         // pop and retryelse if (casHead(h, s=snode(s, e, h, FULFILLING|mode))) {for (;;) { // loop until matched or waiters disappearSNode m = s.next;       // m is s's matchif (m == null) {        // all waiters are gonecasHead(s, null);   // pop fulfill nodes = null;           // use new node next timebreak;              // restart main loop}SNode mn = m.next;if (m.tryMatch(s)) {casHead(s, mn);     // pop both s and mreturn (E) ((mode == REQUEST) ? m.item : s.item);} else                  // lost matchs.casNext(m, mn);   // help unlink}}}

在上述代码中，首先判断头部节点是否处于 fullfill 模式。

如果是，则需要进入步骤3。

否则，将视自己为对应的 fullfill 线程。

第 4 行生成一个 SNode 元素，设置为 fullfill 模式并将其压入队列头部。

接着，设置 m (原始的队列头部)为 s 的匹配节点(第 13 行)，这个 tryMatch() 方法将会激活一个等待线程，并将 m 传递给那个线程。

如果设置成功，则表示数据投递完成，将 s 和 m 两个节点弹出即可(第 14 行)。

如果 tryMatch ()方法失败，则表示已经有其他线程帮助完成了操作，那么删除 m 节点即可(第 17 行)，因为这个节点的数据已经被投递，不需要再次处理，再次跳转到第 5 行的循环体，进行下一个等待线程的匹配和数据投递，直到队列中没有等待线程为止。

步骤 3 的实现如下:

如果线程在执行时，发现头部元素恰好是 fulfill 模式，它就会帮助 fulfill 节点尽快被执行。

				else {                            // help a fulfillerSNode m = h.next;               // m is h's matchif (m == null)                  // waiter is gonecasHead(h, null);           // pop fulfilling nodeelse {SNode mn = m.next;if (m.tryMatch(h))          // help matchcasHead(h, mn);         // pop both h and melse                        // lost matchh.casNext(m, mn);       // help unlink}}

上述代码的执行原理和步骤2完全一致。

唯一的不同是步骤3不会返回，因为步骤3所进行的工作是帮助其他线程尽快投递它们的数据，而自己并没有完成对应的操作。

因此，线程进入步骤3后，再次进入大循环体(代码中没有给出)，从步骤1开始重新判断条件和投递数据。

从整个数据投递的过程中可以看到，在 SynchronousQueue 中，参与工作的所有线程不仅仅是竟争资源的关系，更重要的是，它们彼此之间还会互相帮助。

在一个线程内部，可能会帮助其他线程完成它们的工作。

这种模式可以在更大程度上减少饥饿的可能，提高系统整体的并行度。

这篇关于一篇文章搞懂 SynchronousQueue的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/469270。

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