SynchronousQueue#TransferQueue

阻塞队列中,SynchronousQueue算得上是一个比较有意思的队列,因为所有人对它的印象是如下

  • 无容量
  • 性能相较其他阻塞队列更佳。

翻了一下它的源码实现,发现设计上也确实有意思,跟我预想的设计完全不同。

数据结构

数据结构上选择的是一种双向的单链表,双向意味着维护首尾指针

/** Head of queue */
 transient volatile QNode head;
/** Tail of queue */
transient volatile QNode tail;

节点的设计上看,如果说按照生产者与消费者的角度来分析SynchronousQueue, 可以将isData作为区分点,如果isData是true则说明该线程是本次操作是生产者,反之则为消费者。waiter指针保存着当前线程对象,目的在于处理线程的阻塞/唤醒。

volatile QNode next;
volatile Object item;
volatile Thread waiter; 
final boolean isData;  

运作流程

初始化时创建了一个空的QNode节点,第一次进行put(e), 操作的时候,会入队,入队后线程却被阻塞,等待e = take()来互补,也就是说“无容量”的说法其实不是很正确,它去入队之后被阻塞而已,但是队列中确实保存了对象

如下图,连续两个线程进行put(e)操作,(ct 指currentThread)


image.png

而此时又来一次e = take(e)操作


image.png

假设多次e = take()后,期间并未有put(e)操作

此时看下图发现,队列中维护的数据节点是消费者节点,而阻塞的正是消费者线程


image.png

核心的判断在于(h == t || t.isData == isData),其次要注意由于初始化时创建了一个QNode节点,意味着head指向的节点为无效节点,所以看到程序代码中取有效数据会写head->next,这称之为哨兵节点的设计比较常见。

消费者与生产者同时会被维护到队列中,当互补匹配成功后会唤醒节点上阻塞的线程(消费者或者生产者),在整个生产者-消费者模型中,所有操作都没有任何加锁操作,这也是并发中性能略高的一点个(但是CAS自旋损耗不可忽视)。这个设计核心在于不能出现有消费者在入队等待,但是生产投递时却入队阻塞的现象,所以维护的队列节点要么都是生产者(生产 > 消费),要么都是消费者(消费 > 生产)

这个设计理念在RocketMQ中也有相似的设计,即可靠消息服务的设计。

服务端维护着一个数组列表,数组列表的元素包括数据,以及本次请求的线程包含的CountDownLatch对象。请求达到服务端后放入数组列表并通过CountDownLatch进行超时阻塞。同时服务端有另外的线程从数组列表中读取数据处理,处理完成后通过数据节点包含的CountDownLatch唤醒请求线程并返回,所以如果超时会唤醒线程进行二次请求处理,意味着下次被重复投递。

网上很多说性能更优,或者其他怎么怎么样,但是实际使用必须辩证看待。如果消费大于生产,那么性能自然很好,否则会出现生产者线程大量阻塞的情况,如果是Tomcat线程被大量阻塞,直接导致无线程可用,自然是得不偿失。用是一个层面,但是从该队列的设计来看,确实有意思,比我设想的设计要优很多。

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