揭秘Java SynchronousQueue：从源码深度剖析其使用原理
一、引言
在Java并发编程领域，队列作为线程间数据传递与同步的重要工具，种类繁多且各有特性。其中，SynchronousQueue 是一种极具特色的阻塞队列，与常见的ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue 等有着本质区别。它不存储任何元素，每个插入操作必须等待另一个线程的对应移除操作，反之亦然。这种独特的“直接移交”机制，使得 SynchronousQueue 在高性能并发场景、任务传递等领域发挥着不可替代的作用。本文将从源码层面出发，深入剖析 SynchronousQueue 的内部实现、核心方法运作机制、线程安全保障等内容，帮助开发者彻底理解其使用原理。
二、SynchronousQueue概述
2.1 基本概念
SynchronousQueue 是Java并发包 java.util.concurrent 中的一个阻塞队列实现类。它的核心特点是：队列不持有任何元素，插入操作（put）必须等待另一个线程执行移除操作（take）才能完成，反之亦然。这种特性使得 SynchronousQueue 更像是一个线程间数据交换的“通道”，而不是传统意义上存储数据的队列。当一个线程调用 put 方法向队列中插入元素时，该线程会被阻塞，直到另一个线程调用 take 方法从队列中取出这个元素；同样，当线程调用 take 方法时，如果没有可用元素，线程也会被阻塞，直到有其他线程插入元素。
2.2 继承关系与接口实现
从类的继承关系和接口实现角度来看，SynchronousQueue 的定义如下：
// SynchronousQueue 实现了 BlockingQueue 接口，具备阻塞队列的特性
// 同时也实现了 java.io.Serializable 接口，支持对象的序列化
public class SynchronousQueue<E> extends AbstractQueue<E>
implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
// 类的具体实现将在后续详细分析
}
可以看到，SynchronousQueue 继承自 AbstractQueue 类，实现了 BlockingQueue 接口，这意味着它具备阻塞队列的标准方法，如 put、take、offer 等，并且需要实现这些接口方法来满足阻塞队列的功能要求。同时，实现 Serializable 接口则使得 SynchronousQueue 实例可以进行序列化操作，方便在不同环境下传输和存储。
2.3 与其他队列的对比
与其他常见队列相比，SynchronousQueue 的特性使其在使用场景和性能表现上有明显差异：
ArrayBlockingQueue：是基于数组实现的有界阻塞队列，队列容量在创建时固定。它可以存储多个元素，插入和移除操作在队列未满或未空时不会阻塞线程，适合需要缓冲一定数量元素的场景。而SynchronousQueue不存储元素，每个操作都需要配对等待，更强调线程间的直接交互。LinkedBlockingQueue：基于链表实现，容量可以是有界的（指定容量）或无界的（默认Integer.MAX_VALUE）。它同样可以存储多个元素，在多线程环境下，入队和出队操作通过不同的锁机制实现较高的并发性能。相比之下，SynchronousQueue没有元素存储的概念，更专注于线程间的同步。PriorityBlockingQueue：是一个无界的阻塞队列，其中元素会根据优先级进行排序。每次take操作会取出优先级最高的元素。与SynchronousQueue不同，PriorityBlockingQueue主要用于处理有优先级需求的任务或数据，而SynchronousQueue侧重于线程间的数据即时传递。
三、SynchronousQueue的内部结构
3.1 核心属性
SynchronousQueue 类的核心属性决定了其数据存储和线程同步的基本机制，以下是关键属性的源码及注释：
// 公平模式标志位，true 表示公平模式，false 表示非公平模式
private transient final boolean fair;
// 队列的内部节点，用于实现线程间的同步和数据传递
private transient volatile Node head;
// 用于序列化的版本号
private static final long serialVersionUID = -7849629356936939267L;
fair：该属性用于标识SynchronousQueue的公平模式。当fair为true时，线程会按照先进先出（FIFO）的顺序进行等待和执行操作；当fair为false时，线程的执行顺序可能会出现非公平的情况，通常非公平模式在某些场景下能获得更好的性能。head：指向队列的头部节点，SynchronousQueue通过节点来管理等待的线程和数据传递。每个节点代表一个等待在队列上的线程操作（插入或移除），通过节点间的关联和状态变化来实现线程间的同步。serialVersionUID：用于对象序列化和反序列化时的版本控制，确保不同版本的类在序列化和反序列化过程中的兼容性。
3.2 构造函数
SynchronousQueue 提供了两个构造函数，用于创建不同模式的队列实例，源码及注释如下：
// 默认构造函数，创建一个非公平模式的 SynchronousQueue
public SynchronousQueue() {
// 调用另一个构造函数，传入 false 表示非公平模式
this(false);
}
// 带参数的构造函数，可指定公平模式
public SynchronousQueue(boolean fair) {
// 初始化公平模式标志位
this.fair = fair;
}
通过构造函数，可以选择创建公平模式或非公平模式的 SynchronousQueue。默认构造函数创建的是非公平模式队列，在非公平模式下，线程可能会在等待操作时获得更快的响应，但可能会出现某些线程饥饿的情况；而公平模式则保证线程按照等待顺序执行操作，更适合对公平性有严格要求的场景。
3.3 内部节点结构
SynchronousQueue 内部通过 Node 类来管理线程操作，Node 类的定义如下：
// 内部节点类，用于表示等待在队列上的线程操作
static final class Node {
// 表示该节点是插入操作（生产者）
static final int REQUEST = 0;
// 表示该节点是移除操作（消费者）
static final int DATA = 1;
// 节点的状态：初始状态
static final int STATE = 0;
// 节点的状态：取消状态
static final int CANCELLED = 1;
// 节点的状态：已匹配状态
static final int READY = 2;
// 节点的状态：已通知状态
static final int COMMITTED = 3;
// 节点的模式，REQUEST 或 DATA
final int mode;
// 关联的线程
volatile Thread thread;
// 指向下一个节点
volatile Node next;
// 节点中存储的数据（如果是 DATA 模式）
Object item;
// 构造函数，初始化节点模式和线程
Node(int m, Thread t) {
mode = m;
thread = t;
}
// 尝试取消节点
boolean tryCancel() {
return (thread != null &&
thread == UNSAFE.getObjectVolatile(this, threadOffset) &&
UNSAFE.compareAndSwapObject(this, stateOffset, STATE, CANCELLED));
}
// 判断节点是否已取消
boolean isCancelled() {
return item == this;
}
// 判断节点是否已匹配
boolean isReady() {
return item != null && item != this;
}
// 获取并清空节点中的数据
Object getAndClear() {
Object x = item;
if (x == this)
x = null;
item = this;
return x;
}
// Unsafe 相关的偏移量
private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
private static final long stateOffset;
private static final long itemOffset;
private static final long threadOffset;
static {
try {
UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
Class<?> k = Node.class;
stateOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
(k.getDeclaredField("state"));
itemOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
(k.getDeclaredField("item"));
threadOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
(k.getDeclaredField("thread"));
} catch (Exception e) {
throw new Error(e);
}
}
}
Node 类定义了节点的多种状态和属性：
- 状态常量：如
REQUEST表示该节点代表一个移除操作（消费者），DATA表示该节点代表一个插入操作（生产者）；STATE表示初始状态，CANCELLED表示节点已取消，READY表示节点已准备好进行数据交换，COMMITTED表示数据交换已完成。 - 属性：
mode表示节点的操作模式（插入或移除）；thread关联执行该操作的线程；next指向下一个节点；item用于存储节点中的数据（仅在DATA模式下有意义）。 - 方法：
tryCancel方法用于尝试取消节点，通过CAS（Compare And Swap）操作保证原子性；isCancelled方法判断节点是否已取消；isReady方法判断节点是否已准备好进行数据交换；getAndClear方法获取并清空节点中的数据。
通过这些节点的定义和操作，SynchronousQueue 实现了线程间的同步和数据传递机制。
四、基本操作的源码分析
4.1 插入操作
4.1.1 put(E e) 方法
put(E e) 方法用于将元素插入到 SynchronousQueue 中，如果没有其他线程等待获取该元素，当前线程将被阻塞，直到有线程执行 take 操作获取该元素。以下是该方法的源码及注释：
// 将元素插入到队列中，如果没有线程等待获取元素，当前线程将被阻塞
public void put(E e) throws InterruptedException {
// 如果元素为 null，抛出 NullPointerException 异常
if (e == null) throw new NullPointerException();
// 创建一个 DATA 模式的节点，关联当前线程和要插入的元素
Node s = new Node(Node.DATA, Thread.currentThread());
// 获取锁中断标志
boolean interrupted = false;
for (;;) {
// 获取队列头部节点
Node h = head;
// 如果头部节点为空或者头部节点是 REQUEST 模式（表示有线程在等待获取元素）
if (h == null || h.mode == Node.REQUEST) {
// 获取下一个节点
Node t = h;
// 使用 CAS 操作尝试将新节点设置为队列头部节点
if (!casHead(h, s)) continue;
// 新节点成为头部节点后，进行数据交换
Node match = awaitFulfill(s, e);
// 如果匹配节点被取消
if (match == null) {
// 取消当前节点
s.tryCancel();
// 如果在等待过程中线程被中断
if (interrupted)
// 重新抛出中断异常
throw new InterruptedException();
}
// 数据交换完成，退出循环
return;
} else if (h.mode == Node.DATA) {
// 如果头部节点是 DATA 模式（表示有元素在等待被获取）
// 尝试与头部节点进行数据交换
if (casHead(h, s)) {
h.item = s;
h.waitForData();
// 获取交换后的数据
E x = (E) ((s == h.item)? s.item : h.item);
s.item = s;
// 如果数据不为 null，设置头部节点为匹配节点
if (x != null) {
s.thread = h.thread;
h.thread = null;
setHead(h);
h.next = h;
return;
}
}
}
}
}
在 put 方法中：
- 首先检查插入的元素是否为
null，如果是则抛出异常。 - 创建一个
DATA模式的节点，关联当前线程和要插入的元素。 - 进入无限循环，不断尝试将节点插入队列：
- 如果队列头部节点为空或者头部节点是
REQUEST模式（表示有线程在等待获取元素），则使用CAS操作尝试将新节点设置为队列头部节点。如果设置成功，调用awaitFulfill方法等待匹配的REQUEST节点来获取元素，若匹配节点被取消且线程在等待过程中被中断，则重新抛出中断异常。 - 如果队列头部节点是
DATA模式（表示有元素在等待被获取），则尝试与头部节点进行数据交换，交换完成后设置相关节点状态并返回。
- 如果队列头部节点为空或者头部节点是
4.1.2 offer(E e) 方法
offer(E e) 方法用于尝试将元素插入到队列中，如果没有其他线程等待获取该元素，不会阻塞线程，而是直接返回 false。源码及注释如下：
// 尝试将元素插入到队列中，如果没有线程等待获取元素，直接返回 false
public boolean offer(E e) {
// 如果元素为 null，抛出 NullPointerException 异常
if (e == null) throw new NullPointerException();
// 创建一个 DATA 模式的节点，关联当前线程和要插入的元素
Node s = new Node(Node.DATA, Thread.currentThread());
// 循环尝试插入操作
for (;;) {
// 获取队列头部节点
Node h = head;
// 如果头部节点为空或者头部节点是 REQUEST 模式
if (h == null || h.mode == Node.REQUEST) {
// 获取下一个节点
Node t = h;
// 使用 CAS 操作尝试将新节点设置为队列头部节点
if (!casHead(h, s)) continue;
// 尝试与等待的 REQUEST 节点进行数据交换
Node match = tryMatch(s, e);
// 如果匹配成功
if (match != null) {
// 返回 true 表示插入成功
return true;
}
// 恢复头部节点
restoreHead(s, t);
return false;
} else if (h.mode == Node.DATA) {
// 如果头部节点是 DATA 模式，直接返回 false
return false;
}
}
}
offer 方法与 put 方法类似，区别在于 offer 方法不会阻塞线程。在尝试插入元素时，如果没有等待获取元素的线程（即头部节点不是 REQUEST 模式），则直接返回 false；如果有等待线程，尝试进行数据交换，交换成功则返回 true，否则恢复头部节点并返回 false。
4.1.3 offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) 方法
offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) 方法用于尝试将元素插入到队列中，并等待指定的时间。如果在规定时间内没有其他线程等待获取该元素，线程将不再阻塞，而是返回 false。源码及注释如下：
// 尝试将元素插入到队列中，并等待指定的时间
public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
// 如果元素为 null，抛出 NullPointerException 异常
if (e == null) throw new NullPointerException();
// 将时间转换为纳秒
long nanos = unit.toNanos(timeout);
// 创建一个 DATA 模式的节点，关联当前线程和要插入的元素
Node s = new Node(Node.DATA, Thread.currentThread());
// 获取锁中断标志
boolean interrupted = false;
// 记录开始时间
long startTime = System.nanoTime();
for (;;) {
// 获取队列头部节点
Node h = head;
// 如果头部节点为空或者头部节点是 REQUEST 模式
if (h == null || h.mode == Node.REQUEST) {
// 获取下一个节点
Node t = h;
// 使用 CAS 操作尝试将新节点设置为队列头部节点
if (!casHead(h, s)) continue;
// 等待匹配的 REQUEST 节点，并设置等待超时时间
Node match = awaitFulfill(s, e, nanos);
// 如果匹配成功
if (match != null) {
// 返回 true 表示插入成功
return true;
}
// 如果等待超时
if (nanos <= 0) {
// 取消当前节点
s.tryCancel();
return false;
}
// 更新剩余等待时间
nanos = nanos - (System.nanoTime() - startTime);
startTime = System.nanoTime();
} else if (h.mode == Node.DATA) {
// 如果头部节点是 DATA 模式，直接返回 false
return false;
}
}
}
在 offer 带超时参数的方法中，除了进行与 offer 无参方法类似的插入尝试操作外，还会记录开始时间，并在每次循环中检查剩余等待时间。如果等待超时，则取消当前节点并返回 false；如果在规定时间内匹配成功，则返回 true。
4.2 删除操作
4.2.1 take() 方法
take() 方法用于从 SynchronousQueue 中移除并返回一个元素，如果没有元素可供移除，当前线程将被阻塞，直到有其他线程插入元素。以下是该方法的源码及详细注释：
// 从队列中移除并返回一个元素，如果没有元素可供移除，当前线程将被阻塞
public E take() throws InterruptedException {
// 创建一个 REQUEST 模式的节点，关联当前线程
Node s = new Node(Node.REQUEST, Thread.currentThread());
// 标记线程是否被中断
boolean interrupted = false;
for (;;) {
// 获取队列头部节点
Node h = head;
// 如果头部节点为空或者头部节点是 DATA 模式（表示有元素等待被取走）
if (h == null || h.mode == Node.DATA) {
// 获取当前头部节点的下一个节点
Node t = h;
// 使用 CAS 操作尝试将新节点设置为队列头部节点
if (!casHead(h, s)) continue;
// 等待匹配的 DATA 节点来提供元素
Node match = awaitFulfill(s, null);
// 如果匹配节点为 null
if (match == null) {
// 取消当前节点
s.tryCancel();
// 如果线程在等待过程中被中断
if (interrupted)
// 抛出中断异常
throw new InterruptedException();
}
// 从匹配节点中获取并清空元素
E x = (E) match.getAndClear();
// 如果队列不为空，设置新的头部节点
if (match != s) {
setHead(match);
}
// 返回获取到的元素
return x;
} else if (h.mode == Node.REQUEST) {
// 如果头部节点是 REQUEST 模式（表示有线程在等待获取元素）
// 尝试与头部节点进行匹配
if (casHead(h, s)) {
h.item = s;
h.waitForData();
// 获取匹配后的数据
E x = (E) ((s == h.item)? s.item : h.item);
s.item = s;
// 如果数据不为 null
if (x != null) {
s.thread = h.thread;
h.thread = null;
setHead(h);
h.next = h;
return x;
}
}
}
}
}
在 take 方法中：
- 首先创建一个
REQUEST模式的节点，关联当前线程。 - 进入无限循环，不断尝试从队列中获取元素：
- 如果队列头部节点为空或者头部节点是
DATA模式（表示有元素等待被取走），使用CAS操作尝试将新节点设置为队列头部节点。若设置成功，调用awaitFulfill方法等待匹配的DATA节点来提供元素。若匹配节点为null且线程在等待过程中被中断，则抛出中断异常。从匹配节点中获取并清空元素后，设置新的头部节点并返回元素。 - 如果队列头部节点是
REQUEST模式（表示有线程在等待获取元素），尝试与头部节点进行匹配，匹配成功后获取并处理数据，最后返回获取到的元素。
- 如果队列头部节点为空或者头部节点是
4.2.2 poll() 方法
poll() 方法用于尝试从队列中移除并返回一个元素，如果没有元素可供移除，不会阻塞线程，而是直接返回 null。源码及注释如下：
// 尝试从队列中移除并返回一个元素，如果没有元素可供移除，直接返回 null
public E poll() {
// 循环尝试移除操作
for (;;) {
// 获取队列头部节点
Node h = head;
// 如果头部节点为空或者头部节点是 REQUEST 模式
if (h == null || h.mode == Node.REQUEST) {
// 直接返回 null
return null;
} else if (h.mode == Node.DATA) {
// 如果头部节点是 DATA 模式（表示有元素等待被取走）
// 使用 CAS 操作尝试将头部节点的下一个节点设置为新的头部节点
if (casHead(h, h.next)) {
// 从头部节点中获取并清空元素
E x = (E) h.getAndClear();
// 返回获取到的元素
return x;
}
}
}
}
poll 方法不会阻塞线程。在循环中检查队列头部节点的状态：
- 如果头部节点为空或者头部节点是
REQUEST模式（表示没有元素可供移除），直接返回null。 - 如果头部节点是
DATA模式（表示有元素等待被取走），使用CAS操作尝试将头部节点的下一个节点设置为新的头部节点，若设置成功，从头部节点中获取并清空元素后返回该元素。
4.2.3 poll(long timeout, TimeUnit unit) 方法
poll(long timeout, TimeUnit unit) 方法用于尝试从队列中移除并返回一个元素，并等待指定的时间。如果在规定时间内没有元素可供移除，线程将不再阻塞，而是返回 null。源码及注释如下：
// 尝试从队列中移除并返回一个元素，并等待指定的时间
public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
// 将时间转换为纳秒
long nanos = unit.toNanos(timeout);
// 创建一个 REQUEST 模式的节点，关联当前线程
Node s = new Node(Node.REQUEST, Thread.currentThread());
// 标记线程是否被中断
boolean interrupted = false;
// 记录开始时间
long startTime = System.nanoTime();
for (;;) {
// 获取队列头部节点
Node h = head;
// 如果头部节点为空或者头部节点是 DATA 模式
if (h == null || h.mode == Node.DATA) {
// 获取当前头部节点的下一个节点
Node t = h;
// 使用 CAS 操作尝试将新节点设置为队列头部节点
if (!casHead(h, s)) continue;
// 等待匹配的 DATA 节点来提供元素，并设置等待超时时间
Node match = awaitFulfill(s, null, nanos);
// 如果匹配成功
if (match != null) {
// 从匹配节点中获取并清空元素
E x = (E) match.getAndClear();
// 如果队列不为空，设置新的头部节点
if (match != s) {
setHead(match);
}
// 返回获取到的元素
return x;
}
// 如果等待超时
if (nanos <= 0) {
// 取消当前节点
s.tryCancel();
return null;
}
// 更新剩余等待时间
nanos = nanos - (System.nanoTime() - startTime);
startTime = System.nanoTime();
} else if (h.mode == Node.REQUEST) {
// 如果头部节点是 REQUEST 模式
return null;
}
}
}
在 poll 带超时参数的方法中，除了进行与 poll 无参方法类似的移除尝试操作外，还会记录开始时间，并在每次循环中检查剩余等待时间。如果等待超时，则取消当前节点并返回 null；如果在规定时间内匹配成功，则从匹配节点中获取并清空元素，设置新的头部节点后返回该元素。
4.3 查看操作
4.3.1 peek() 方法
peek() 方法用于查看队列的头部元素，但不移除该元素。由于 SynchronousQueue 不存储元素，每次插入操作都需要等待对应的移除操作，因此 peek 方法总是返回 null。源码及注释如下：
// 查看队列的头部元素，但不移除该元素，由于 SynchronousQueue 不存储元素，总是返回 null
public E peek() {
// 直接返回 null
return null;
}
4.3.2 方法特点分析
peek 方法的实现非常简单，因为 SynchronousQueue 的特性决定了它没有元素可供查看。该方法的时间复杂度为 ，因为只需要进行简单的返回操作，不涉及任何复杂的逻辑或数据处理。在实际使用中，如果需要查看队列中的元素，SynchronousQueue 并不适合，因为它更侧重于线程间的即时数据传递，而不是元素的存储和查看。
五、线程安全机制
5.1 CAS 操作的应用
5.1.1 CAS 原理概述
CAS（Compare-And-Swap）是一种无锁的原子操作，它包含三个操作数：内存位置（V）、预期原值（A）和新值（B）。如果内存位置的值与预期原值相匹配，那么处理器会自动将该位置的值更新为新值。否则，处理器不做任何操作。在 SynchronousQueue 中，CAS 操作被广泛应用于节点的状态更新和队列头部节点的设置，以保证线程安全。
5.1.2 CAS 在节点操作中的应用
在 SynchronousQueue 的节点操作中，CAS 操作用于保证节点状态的原子性更新。例如，在 Node 类的 tryCancel 方法中，使用 CAS 操作来尝试取消节点：
// 尝试取消节点
boolean tryCancel() {
return (thread != null &&
thread == UNSAFE.getObjectVolatile(this, threadOffset) &&
// 使用 CAS 操作将节点状态从 STATE 改为 CANCELLED
UNSAFE.compareAndSwapObject(this, stateOffset, STATE, CANCELLED));
}
在这个方法中，首先检查线程是否存在且与当前节点关联的线程一致，然后使用 UNSAFE.compareAndSwapObject 方法进行 CAS 操作，尝试将节点的状态从 STATE 改为 CANCELLED。如果内存中的节点状态与预期的 STATE 一致，则更新为 CANCELLED 并返回 true，否则返回 false。
5.1.3 CAS 在队列头部节点设置中的应用
在插入和删除操作中，CAS 操作用于设置队列的头部节点。例如，在 put 方法中，使用 casHead 方法来尝试将新节点设置为队列头部节点：
// 使用 CAS 操作尝试将新节点设置为队列头部节点
private boolean casHead(Node h, Node nh) {
return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, headOffset, h, nh);
}
casHead 方法调用 UNSAFE.compareAndSwapObject 方法，将队列的头部节点从 h 更新为 nh。如果内存中的头部节点与预期的 h 一致，则更新为 nh 并返回 true，否则返回 false。通过这种方式，保证了在多线程环境下队列头部节点设置的原子性，避免了多个线程同时修改头部节点导致的数据不一致问题。
5.2 线程阻塞与唤醒机制
5.2.1 LockSupport 的使用
SynchronousQueue 使用 LockSupport 类来实现线程的阻塞和唤醒操作。LockSupport 是 Java 并发包中用于线程阻塞和唤醒的工具类，它提供了 park 和 unpark 方法。park 方法用于阻塞当前线程，unpark 方法用于唤醒指定线程。
5.2.2 线程阻塞操作
在 awaitFulfill 方法中，当线程需要等待匹配的节点时，会调用 LockSupport.park 方法阻塞当前线程：
// 等待匹配的节点
Node awaitFulfill(Node s, Object e) {
// 标记线程是否被中断
boolean interrupted = false;
for (;;) {
// 如果节点已被取消
if (s.isCancelled()) {
// 清理节点
s.tryCancel();
return null;
}
// 获取下一个节点
Node next = s.next;
if (next != null) {
// 尝试设置下一个节点为头部节点
casHead(s, next);
}
// 阻塞当前线程
LockSupport.park(this);
// 如果线程被中断
if (Thread.interrupted()) {
interrupted = true;
}
}
}
在这个方法中，当线程需要等待匹配的节点时，调用 LockSupport.park(this) 方法阻塞当前线程。如果线程在等待过程中被中断，会标记 interrupted 为 true。
5.2.3 线程唤醒操作
当匹配的节点出现时，会调用 LockSupport.unpark 方法唤醒等待的线程。例如，在 tryMatch 方法中，当匹配成功后，会唤醒等待的线程：
// 尝试与节点进行匹配
Node tryMatch(Node s, Object e) {
// 标记匹配是否成功
boolean matched = false;
for (;;) {
// 获取队列头部节点
Node h = head;
if (h == null || h.mode != s.mode) {
// 如果头部节点为空或者模式不匹配，返回 null
return null;
}
// 尝试设置新的头部节点
if (casHead(h, h.next)) {
// 匹配成功
matched = true;
// 设置匹配节点的元素
h.item = e;
// 唤醒等待的线程
LockSupport.unpark(h.thread);
return h;
}
}
}
在这个方法中，当匹配成功后，调用 LockSupport.unpark(h.thread) 方法唤醒等待的线程 h.thread。
5.3 公平模式与非公平模式
5.3.1 公平模式实现
当 SynchronousQueue 以公平模式创建时（fair 属性为 true），线程会按照先进先出（FIFO）的顺序进行等待和执行操作。在公平模式下，新的节点会被插入到队列的尾部，等待的线程会按照插入顺序依次获得执行机会。
5.3.2 非公平模式实现
当 SynchronousQueue 以非公平模式创建时（fair 属性为 false），线程的执行顺序可能会出现非公平的情况。在非公平模式下，新的节点会被尝试插入到队列的头部，这样可以使新到来的线程更快地获得执行机会，但可能会导致某些线程饥饿的情况。
5.3.3 公平模式与非公平模式的选择
公平模式保证了线程的公平性，适合对公平性有严格要求的场景，如任务调度系统中需要保证每个任务都有平等的执行机会。非公平模式在某些场景下能获得更好的性能，因为它减少了线程切换的开销，新到来的线程可以更快地执行操作，但可能会导致某些线程长时间得不到执行。在实际使用中，需要根据具体的业务需求来选择合适的模式。
六、性能分析
6.1 插入操作性能
6.1.1 时间复杂度分析
SynchronousQueue 的插入操作（如 put、offer 方法）的时间复杂度主要取决于匹配操作和线程阻塞与唤醒操作。在理想情况下，如果有等待的移除操作线程，插入操作可以在 时间内完成，因为只需要进行节点的匹配和数据交换。但在没有等待线程的情况下，插入线程会被阻塞，直到有移除操作线程出现，此时插入操作的时间复杂度会受到线程调度和阻塞唤醒开销的影响。
6.1.2 影响插入性能的因素
- 线程竞争程度：当多个线程同时进行插入操作时，会存在节点设置和匹配的竞争，可能会导致 CAS 操作失败，需要多次重试，从而影响插入性能。
- 线程阻塞与唤醒开销：如果没有等待的移除操作线程，插入线程会被阻塞，当有移除操作线程出现时，需要进行线程的唤醒操作，线程的阻塞和唤醒会带来一定的开销，影响插入性能。
- 公平模式与非公平模式：公平模式下，新节点会被插入到队列尾部，可能会导致新到来的插入线程需要等待较长时间，而非公平模式下，新节点会尝试插入到队列头部，新到来的插入线程可以更快地获得执行机会，因此非公平模式在某些情况下插入性能更好。
6.2 删除操作性能
6.2.1 时间复杂度分析
SynchronousQueue 的删除操作（如 take、poll 方法）的时间复杂度与插入操作类似。在理想情况下，如果有等待的插入操作线程，删除操作可以在 时间内完成，因为只需要进行节点的匹配和数据交换。但在没有等待线程的情况下，删除线程会被阻塞，直到有插入操作线程出现，此时删除操作的时间复杂度会受到线程调度和阻塞唤醒开销的影响。
6.2.2 影响删除性能的因素
- 线程竞争程度：当多个线程同时进行删除操作时，会存在节点设置和匹配的竞争，可能会导致 CAS 操作失败，需要多次重试，从而影响删除性能。
- 线程阻塞与唤醒开销：如果没有等待的插入操作线程，删除线程会被阻塞，当有插入操作线程出现时，需要进行线程的唤醒操作，线程的阻塞和唤醒会带来一定的开销，影响删除性能。
- 公平模式与非公平模式：公平模式下，新节点会被插入到队列尾部，可能会导致新到来的删除线程需要等待较长时间，而非公平模式下，新节点会尝试插入到队列头部，新到来的删除线程可以更快地获得执行机会，因此非公平模式在某些情况下删除性能更好。
6.3 并发性能分析
6.3.1 多线程环境下的性能表现
在多线程环境下，SynchronousQueue 的性能受到线程竞争和线程调度的影响。当线程竞争程度较低时，SynchronousQueue 可以提供较高的并发性能，因为它的插入和删除操作可以在 时间内完成。但当线程竞争程度较高时，CAS 操作失败的概率会增加，需要多次重试，从而导致性能下降。
6.3.2 与其他队列的并发性能比较
与其他常见队列（如 ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue）相比，SynchronousQueue 在并发性能上有其独特之处。ArrayBlockingQueue 和 LinkedBlockingQueue 可以存储多个元素，在多线程环境下，入队和出队操作可以通过不同的锁机制实现较高的并发性能。而 SynchronousQueue 不存储元素，每个操作都需要配对等待，更强调线程间的直接交互，在某些场景下（如任务传递）可以提供更高的并发性能，但在需要缓冲大量元素的场景下，性能可能不如其他队列。
七、使用场景
7.1 任务传递
7.1.1 场景描述
在一些并发编程场景中，需要将任务从一个线程传递到另一个线程进行处理。SynchronousQueue 非常适合这种场景，因为它可以实现线程间的即时任务传递，避免了任务在队列中存储的开销。例如，在一个生产者 - 消费者模型中，生产者线程生成任务后，直接将任务传递给消费者线程进行处理，中间不需要额外的任务存储过程。
7.1.2 代码示例
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.SynchronousQueue;
// 任务类
class Task {
private String name;
public Task(String name) {
this.name = name;
}
public String getName() {
return name;
}
}
// 生产者线程
class Producer implements Runnable {
private SynchronousQueue<Task> queue;
public Producer(SynchronousQueue<Task> queue) {
this.queue = queue;
}
@Override
public void run() {
try {
// 生成任务
Task task = new Task("Task 1");
System.out.println("Producer is producing task: " + task.getName());
// 将任务放入队列
queue.put(task);
System.out.println("Producer has put the task into the queue.");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
// 消费者线程
class Consumer implements Runnable {
private SynchronousQueue<Task> queue;
public Consumer(SynchronousQueue<Task> queue) {
this.queue = queue;
}
@Override
public void run() {
try {
// 从队列中获取任务
Task task = queue.take();
System.out.println("Consumer has taken the task: " + task.getName());
// 处理任务
System.out.println("Consumer is processing the task: " + task.getName());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public class TaskTransferExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建 SynchronousQueue
SynchronousQueue<Task> queue = new SynchronousQueue<>();
// 创建线程池
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);
// 提交生产者线程
executor.submit(new Producer(queue));
// 提交消费者线程
executor.submit(new Consumer(queue));
// 关闭线程池
executor.shutdown();
}
}
在这个示例中，生产者线程生成任务后，使用 put 方法将任务放入 SynchronousQueue 中，如果没有消费者线程等待获取任务，生产者线程会被阻塞。消费者线程使用 take 方法从队列中获取任务，如果没有任务可供获取，消费者线程会被阻塞。通过这种方式，实现了任务的即时传递。
7.2 线程池任务调度
7.2.1 场景描述
在 Java 的线程池 Executors.newCachedThreadPool() 中，使用了 SynchronousQueue 作为任务队列。当有新的任务提交到线程池时，如果有空闲的线程，任务会直接分配给空闲线程进行处理；如果没有空闲线程，会创建一个新的线程来处理任务。这种方式可以根据任务的数量动态调整线程池中的线程数量，避免了任务在队列中堆积的问题。
7.2.2 代码示例
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
// 任务类
class MyTask implements Runnable {
private int taskId;
public MyTask(int taskId) {
this.taskId = taskId;
}
@Override
public void run() {
System.out.println("Task " + taskId + " is running on thread: " + Thread.currentThread().getName());
try {
// 模拟任务处理时间
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Task " + taskId + " is completed.");
}
}
public class ThreadPoolExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个使用 SynchronousQueue 的线程池
ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
// 提交多个任务
for (int i = 0; i < 5; i++) {
executor.submit(new MyTask(i));
}
// 关闭线程池
executor.shutdown();
}
}
在这个示例中，使用 Executors.newCachedThreadPool() 创建了一个线程池，该线程池使用 SynchronousQueue 作为任务队列。当提交多个任务时，线程池会根据任务的情况动态创建或复用线程来处理任务。
7.3 高性能并发场景
7.3.1 场景描述
在一些高性能并发场景中，需要实现线程间的快速数据传递和同步。SynchronousQueue 的直接移交机制可以避免数据在队列中存储和复制的开销，提高了数据传递的效率。例如，在金融交易系统中，需要将交易订单从一个线程快速传递到另一个线程进行处理，SynchronousQueue 可以满足这种高性能的需求。
7.3.2 代码示例
import java.util.concurrent.SynchronousQueue;
// 交易订单类
class TradeOrder {
private int orderId;
private double amount;
public TradeOrder(int orderId, double amount) {
this.orderId = orderId;
this.amount = amount;
}
public int getOrderId() {
return orderId;
}
public double getAmount() {
return amount;
}
}
// 订单生产者线程
class OrderProducer implements Runnable {
private SynchronousQueue<TradeOrder> queue;
public OrderProducer(SynchronousQueue<TradeOrder> queue) {
this.queue = queue;
}
@Override
public void run() {
try {
// 生成交易订单
TradeOrder order = new TradeOrder(1, 1000.0);
System.out.println("Producer is producing trade order: " + order.getOrderId());
// 将订单放入队列
queue.put(order);
System.out.println("Producer has put the trade order into the queue.");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
// 订单消费者线程
class OrderConsumer implements Runnable {
private SynchronousQueue<TradeOrder> queue;
public OrderConsumer(SynchronousQueue<TradeOrder> queue) {
this.queue = queue;
}
@Override
public void run() {
try {
// 从队列中获取订单
TradeOrder order = queue.take();
System.out.println("Consumer has taken the trade order: " + order.getOrderId());
// 处理订单
System.out.println("Consumer is processing the trade order: " + order.getOrderId() + ", Amount: " + order.getAmount());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public class HighPerformanceExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建 SynchronousQueue
SynchronousQueue<TradeOrder> queue = new SynchronousQueue<>();
// 创建生产者线程
Thread producerThread = new Thread(new OrderProducer(queue));
// 创建消费者线程
Thread consumerThread = new Thread(new OrderConsumer(queue));
// 启动生产者线程
producerThread.start();
// 启动消费者线程
consumerThread.start();
try {
// 等待生产者线程执行完毕
producerThread.join();
// 等待消费者线程执行完毕
consumerThread.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
在这个示例中，生产者线程生成交易订单后，使用 put 方法将订单放入 SynchronousQueue 中，消费者线程使用 take 方法从队列中获取订单进行处理。通过这种方式，实现了交易订单的快速传递和处理，满足了高性能并发场景的需求。
八、常见问题及解决方案
8.1 元素为 null 的问题
8.1.1 问题描述
SynchronousQueue 不允许插入 null 元素。如果尝试插入 null 元素，会抛出 NullPointerException 异常。这是因为 SynchronousQueue 的设计目的是实现线程间的即时数据传递，null 元素在这种场景下没有实际意义。
8.1.2 解决方案
在插入元素之前，先检查元素是否为 null。如果元素为 null，可以选择抛出异常或进行其他处理。以下是一个示例代码：
import java.util.concurrent.SynchronousQueue;
public class NullElementExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建 SynchronousQueue
SynchronousQueue<String> queue = new SynchronousQueue<>();
// 要插入的元素
String element = null;
if (element != null) {
try {
// 插入元素
queue.put(element);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
} else {
System.out.println("Element is null, cannot insert.");
}
}
}
在这个示例中，在插入元素之前，先检查元素是否为 null。如果元素不为 null，则使用 put 方法插入元素；如果元素为 null，则输出提示信息。
8.2 线程阻塞问题
8.2.1 问题描述
在使用 SynchronousQueue 时，如果没有匹配的操作线程，插入或删除操作的线程会被阻塞。如果线程长时间被阻塞，可能会导致系统性能下降或出现死锁的情况。
8.2.2 解决方案
- 使用带超时的方法：可以使用
offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)和poll(long timeout, TimeUnit unit)方法，这些方法会在指定的时间内尝试进行插入或删除操作，如果超时则返回false或null，避免线程长时间阻塞。以下是一个示例代码：
import java.util.concurrent.SynchronousQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class TimeoutExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建 SynchronousQueue
SynchronousQueue<String> queue = new SynchronousQueue<>();
// 要插入的元素
String element = "Test";
try {
// 尝试插入元素，等待 1 秒
boolean result = queue.offer(element, 1, TimeUnit.SECONDS);
if (result) {
System.out.println("Element inserted successfully.");
} else {
System.out.println("Insertion timed out.");
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
在这个示例中，使用 offer 方法并指定超时时间为 1 秒。如果在 1 秒内没有匹配的操作线程，插入操作会超时并返回 false。
- 合理设计线程数量和任务分配：在使用
SynchronousQueue时，要合理设计线程数量和任务分配，避免出现大量线程同时进行插入或删除操作而导致的阻塞问题。例如，在生产者 - 消费者模型中，要保证生产者和消费者线程的数量和处理速度相对平衡。
8.3 公平模式与非公平模式选择问题
8.3.1 问题描述
在创建 SynchronousQueue 时，需要选择公平模式或非公平模式。不同的模式会对线程的执行顺序和性能产生影响，选择不当可能会导致某些线程饥饿或性能下降。
8.3.2 解决方案
- 公平模式适用场景：如果对线程的公平性有严格要求，如任务调度系统中需要保证每个任务都有平等的执行机会，应该选择公平模式。以下是一个使用公平模式的示例代码：
import java.util.concurrent.SynchronousQueue;
public class FairModeExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建公平模式的 SynchronousQueue
SynchronousQueue<String> queue = new SynchronousQueue<>(true);
// 后续操作...
}
}
- 非公平模式适用场景：如果更注重性能，允许某些线程优先执行，应该选择非公平模式。非公平模式可以减少线程切换的开销，新到来的线程可以更快地获得执行机会。以下是一个使用非公平模式的示例代码：
import java.util.concurrent.SynchronousQueue;
public class NonFairModeExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建非公平模式的 SynchronousQueue
SynchronousQueue<String> queue = new SynchronousQueue<>(false);
// 后续操作...
}
}
在实际使用中，需要根据具体的业务需求来选择合适的模式。
九、总结与展望
9.1 总结
9.1.1 核心特性回顾
SynchronousQueue 是 Java 并发包中一个独特的阻塞队列，它不存储任何元素，每个插入操作必须等待另一个线程的对应移除操作，反之亦然。这种直接移交机制使得 SynchronousQueue 在任务传递、线程池任务调度和高性能并发场景中具有重要的应用价值。
9.1.2 性能与使用场景分析
在性能方面，SynchronousQueue 的插入和删除操作在理想情况下可以在 时间内完成，但在多线程环境下，性能会受到线程竞争和线程调度的影响。公平模式保证了线程的公平性，适合对公平性有严格要求的场景；非公平模式在某些情况下能获得更好的性能，适合更注重性能的场景。
9.1.3 常见问题及解决方案
在使用 SynchronousQueue 时，需要注意元素为 null 的问题、线程阻塞问题和公平模式与非公平模式的选择问题。通过合理的检查和处理，可以避免这些问题的出现，确保系统的稳定性和性能。
9.2 展望
9.2.1 性能优化方向
虽然 SynchronousQueue 在某些场景下已经具有较高的性能，但在高并发场景下，锁竞争和线程调度仍然可能成为性能瓶颈。未来可以考虑使用更高效的并发算法和数据结构，如无锁算法、并发哈希表等，来进一步提高 SynchronousQueue 的性能。
9.2.2 功能扩展方向
可以为 SynchronousQueue 添加更多的功能，如支持批量插入和删除操作、支持元素的动态优先级调整等。这些功能可以进一步提高 SynchronousQueue 的灵活性和实用性，满足更多复杂场景的需求。
9.2.3 与其他组件的集成
SynchronousQueue 可以与其他 Java 并发组件进行更深入的集成，如与 CompletableFuture 结合使用，实现异步任务的传递和处理；与 ReentrantLock 结合使用，实现更细粒度的线程同步。通过与其他组件的集成，可以构建更加复杂和高效的并发系统。
总之，SynchronousQueue 作为 Java 并发编程中的重要工具，在未来的发展中具有很大的潜力。开发者可以根据实际需求合理使用 SynchronousQueue，并不断探索和创新，以满足日益复杂的并发编程需求。
