图解SynchronousQueue数据结构设计与应用案例SynchronousQueue 是 Java 中一个特殊的线

SynchronousQueue 是 Java 中一个特殊的线程安全队列，它不存储任何元素，并且每个插入操作必须等待另一个线程的移除操作，反之亦然。这种队列主要用于任务窃取或线程间的直接通信。由于其特殊性质，SynchronousQueue 可以作为线程池工作窃取机制的一部分，或者用于实现无锁的并发设计模式。它适用于元素生命周期非常短，且生产者和消费者几乎同时操作的场景。

1、SynchronousQueue

SynchronousQueue 是 Java 中一个非常特殊的线程安全队列，它实际上不存储任何元素，而是直接将生产者线程和消费者线程进行匹配。

设计思考：

需求场景：
- 在某些高并发处理场景中，如无缓冲的消息传递、实时任务处理等，需要一种机制使得生产者线程直接将任务传递给消费者线程，而不需要任何中间缓冲。
- 适用于线程间需要紧密协作的场景，其中生产者生成任务后，消费者应立即处理这些任务，无需等待或延迟。
现有技术局限性：
- 传统的队列实现，如 ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue 和 PriorityBlockingQueue，都使用内部缓冲区来存储元素，这可能会导致生产者线程在缓冲区满时阻塞，或者消费者线程在缓冲区空时阻塞。
- 这些队列实现在处理需要即时任务传递的场景时，由于缓冲区的存在，无法实现生产者和消费者之间的直接交互。
技术融合：
- SynchronousQueue 结合了阻塞队列的线程同步特性和无缓冲直接传递的需求，它不存储任何元素，而是将每个插入操作与一个移除操作匹配起来，实现了生产者和消费者之间的直接任务传递。
设计理念：
- SynchronousQueue 设计为一个无内部容量的队列，它依赖于消费者线程的可用性来插入元素，实现了生产者和消费者之间的同步。
- 这种设计允许任务在生产者和消费者之间直接传递，无需任何中间缓冲，从而减少了延迟并提高了处理效率。
实现方式：
- SynchronousQueue 内部使用一组等待队列来管理等待插入和移除操作的线程，当一个元素被插入时，它会被立即传递给一个等待的消费者线程，反之亦然。
- 它使用了 ReentrantLock 和条件变量来控制线程的等待和唤醒，确保了线程间的同步和协调。

2、数据结构

图说明：

同步队列 SynchronousQueue：表示 SynchronousQueue 类的实例，是一个线程安全的阻塞队列，不存储元素，直接匹配生产者和消费者线程。
虚拟容器 Virtual Container：表示 SynchronousQueue 内部的虚拟容器，用于协调生产者和消费者线程。这个容器实际上并不存储元素，而是作为一个协调点。
空队列状态 Empty：表示虚拟容器的初始状态，为空。
非空队列状态 NotEmpty：表示虚拟容器在生产者线程添加元素后的状态，不为空。
入队线程 Offer Thread：表示生产者线程尝试向虚拟容器添加元素。
出队线程 Poll Thread：表示消费者线程尝试从虚拟容器移除元素。
锁 Lock：用于控制对虚拟容器访问的锁。
等待队列 Wait Queue：存储等待的线程。
入队操作 Offer Operation：生产者线程执行的操作，尝试将元素放入虚拟容器。
出队操作 Poll Operation：消费者线程执行的操作，尝试从虚拟容器取出元素。
线程等待 Thread Waits：如果虚拟容器为空，入队线程将在此等待。
线程通知 Thread Signals：当出队线程执行出队操作后，入队线程被通知。

3、执行流程

图说明：

生产者线程到达：表示生产者线程准备向 SynchronousQueue 进行入队操作。
消费者线程到达：表示消费者线程准备从 SynchronousQueue 进行出队操作。
队列为空：检查 SynchronousQueue 是否为空。
队列不为空：检查 SynchronousQueue 是否有元素可供出队。
生产者等待：如果队列为空，生产者线程将等待消费者线程的出队操作。
消费者等待：如果队列为空，消费者线程将等待生产者线程的入队操作。
生产者唤醒消费者：生产者线程完成入队操作后，唤醒等待的消费者线程。
消费者唤醒生产者：消费者线程完成出队操作后，唤醒等待的生产者线程。
生产者入队操作：生产者线程执行入队操作，将元素添加到队列。
消费者出队操作：消费者线程执行出队操作，从队列中移除元素。

4、应用案例

import java.util.concurrent.SynchronousQueue;

public class SynchronousQueueExample {

    public static void main(String[] args) {
        SynchronousQueue<Integer> queue = new SynchronousQueue<>();

        // 生产者线程
        Thread producer = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(1000); // 模拟生产耗时
                int item = 1; // 生产一个产品
                System.out.println("Producer offering item: " + item);
                queue.put(item); // 将产品放入队列
                System.out.println("Producer offered item: " + item);
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        });

        // 消费者线程
        Thread consumer = new Thread(() -> {
            try {
                Integer item = queue.take(); // 从队列中取出产品
                System.out.println("Consumer has taken item: " + item);
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        });

        producer.start();
        consumer.start();
    }
}

5、优点

零容量缓冲：
- 不需要内部缓冲区，实现了任务的直接传递，减少了内存使用和延迟。
线程同步：
- 通过等待/唤醒机制，实现了生产者和消费者之间的精确同步。
适用于实时处理：
- 适用于需要即时任务处理的场景，如实时消息传递系统。

6、缺点

性能开销：
- 在高并发环境下，由于频繁的线程等待和唤醒操作，可能会带来性能开销。
可能的线程饥饿：
- 在某些情况下，如果消费者线程长时间不可用，生产者线程可能会长时间阻塞。

7、使用场景

无缓冲的消息传递：
- 适用于需要即时消息处理的系统，如即时通讯应用。
实时任务处理：
- 适用于需要快速响应的任务处理场景，如实时监控系统。

8、类设计

9、应用案例

SynchronousQueue 通常用于实现线程间的直接交接，特别是在需要严格同步的生产者-消费者模式中。这是一个简单的任务队列处理器，用于处理从队列中取出的任务：

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.SynchronousQueue;

// 任务类，用于表示需要执行的任务
class Task implements Runnable {
    private final String name;

    public Task(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public void run() {
        // 执行任务逻辑
        System.out.println("Executing task: " + name);
        try {
            Thread.sleep(1000); // 模拟任务执行时间
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }
}

public class TaskScheduler {
    private final BlockingQueue<Runnable> taskQueue;

    public TaskScheduler() {
        taskQueue = new SynchronousQueue<>();
    }

    // 添加任务到队列
    public void addTask(Runnable task) throws InterruptedException {
        taskQueue.put(task);
    }

    // 执行所有任务
    public void executeTasks() {
        while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {
            Runnable task = taskQueue.take();
            task.run();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        TaskScheduler scheduler = new TaskScheduler();

        // 创建并启动任务处理器线程
        Thread taskProcessorThread = new Thread(scheduler::executeTasks);
        taskProcessorThread.start();

        // 添加任务到处理器
        scheduler.addTask(new Task("Task 1"));
        scheduler.addTask(new Task("Task 2"));
        scheduler.addTask(new Task("Task 3"));

        // 等待任务处理器线程完成
        taskProcessorThread.join();
    }
}

图解SynchronousQueue数据结构设计与应用案例

1、SynchronousQueue

设计思考：

2、数据结构

图说明：

3、 执行流程

图说明：

4、应用案例

5、优点

6、缺点

7、使用场景

8、类设计

9、应用案例

3、执行流程