并发编程——-LinkedTransferQueue


## 1. 前言

Java 中总的算起来有 8 种阻塞队列。

我们分析了:

ArrayBlockingQueue 数组队列,我们在 使用 ReentrantLock 和 Condition 实现一个阻塞队列 看过了 JDK 写的一个例子,就是该类的基本原理和实现。楼主不准备分析了。

LinkedBlockingDeque是一个双向链表的队列。常用于 “工作窃取算法”,有机会再分析。

DelayQueue 是一个支持延时获取元素的无界阻塞队列。内部用 PriorityQueue 实现。有机会再分析。

PriorityBlockingQueue 是一个支持优先级的无界阻塞队列,和 DelayWorkQueue 类似。有机会再分析。

今天要分析的是剩下的一个比较有意思的队列:LinkedTransferQueue

为什么说有意思呢?他可以算是 LinkedBolckingQueueSynchronousQueue 和合体。

我们知道 SynchronousQueue 内部无法存储元素,当要添加元素的时候,需要阻塞,不够完美,LinkedBolckingQueue 则内部使用了大量的锁,性能不高。

两两结合,岂不完美?性能又高,又不阻塞。

我们一起来看看。

2. LinkedTransferQueue 介绍

image.png

该类实现了一个 TransferQueue。该接口定义了几个方法:

public interface TransferQueue<E> extends BlockingQueue<E> {
// 如果可能,立即将元素转移给等待的消费者。
// 更确切地说,如果存在消费者已经等待接收它(在 take 或 timed poll(long,TimeUnit)poll)中,则立即传送指定的元素,否则返回 false。
boolean tryTransfer(E e);

// 将元素转移给消费者,如果需要的话等待。
// 更准确地说,如果存在一个消费者已经等待接收它(在 take 或timed poll(long,TimeUnit)poll)中,则立即传送指定的元素,否则等待直到元素由消费者接收。
void transfer(E e) throws InterruptedException;

// 上面方法的基础上设置超时时间
boolean tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

// 如果至少有一位消费者在等待,则返回 true
boolean hasWaitingConsumer();

// 返回等待消费者人数的估计值
int getWaitingConsumerCount();
}

相比较普通的阻塞队列,增加了这么几个方法。

3. 关键源码分析

阻塞队列不外乎put ,take,offer ,poll等方法,再加上TransferQueue的 几个 tryTransfer 方法。我们看看这几个方法的实现。

put方法:

public void put(E e) {
xfer(e, true, ASYNC, 0);
}

take方法:

public E take() throws InterruptedException {
E e = xfer(null, false, SYNC, 0);
if (e != null)
return e;
Thread.interrupted();
throw new InterruptedException();
}

offer 方法:

public boolean offer(E e) {
xfer(e, true, ASYNC, 0);
return true;
}

poll 方法:

public E poll() {
return xfer(null, false, NOW, 0);
}

tryTransfer 方法:

public boolean tryTransfer(E e) {
return xfer(e, true, NOW, 0) == null;
}

transfer 方法:

public void transfer(E e) throws InterruptedException {
if (xfer(e, true, SYNC, 0) != null) {
Thread.interrupted(); // failure possible only due to interrupt
throw new InterruptedException();
}
}

可怕,所有方法都指向了xfer 方法,只不过传入的不同的参数。

第一个参数,如果是 put 类型,就是实际的值,反之就是 null。
第二个参数,是否包含数据,put 类型就是 true,take 就是 false。
第三个参数,执行类型,有立即返回的NOW,有异步的ASYNC,有阻塞的SYNC, 有带超时的 TIMED
第四个参数,只有在 TIMED类型才有作用。

So,这个类的关键方法就是 xfer 方法了。

4. xfer 方法分析

源码加注释:

private E xfer(E e, boolean haveData, int how, long nanos) {
if (haveData && (e == null))
throw new NullPointerException();
Node s = null; // the node to append, if needed

retry:
for (;;) { // restart on append race
// 从 head 开始
for (Node h = head, p = h; p != null;) { // find & match first node
// head 的类型。
boolean isData = p.isData;
// head 的数据
Object item = p.item;
// item != null 有 2 种情况,一是 put 操作, 二是 take 的 itme 被修改了(匹配成功)
// (itme != null) == isData 要么表示 p 是一个 put 操作, 要么表示 p 是一个还没匹配成功的 take 操作
if (item != p && (item != null) == isData) {
// 如果当前操作和 head 操作相同,就没有匹配上,结束循环,进入下面的 if 块。
if (isData == haveData) // can't match
break;
// 如果操作不同,匹配成功, 尝试替换 item 成功,
if (p.casItem(item, e)) { // match
// 更新 head
for (Node q = p; q != h;) {
Node n = q.next; // update by 2 unless singleton
if (head == h && casHead(h, n == null ? q : n)) {
h.forgetNext();
break;
} // advance and retry
if ((h = head) == null ||
(q = h.next) == null || !q.isMatched())
break; // unless slack < 2
}
// 唤醒原 head 线程.
LockSupport.unpark(p.waiter);
return LinkedTransferQueue.<E>cast(item);
}
}
// 找下一个
Node n = p.next;
p = (p != n) ? n : (h = head); // Use head if p offlist
}
// 如果这个操作不是立刻就返回的类型
if (how != NOW) { // No matches available
// 且是第一次进入这里
if (s == null)
// 创建一个 node
s = new Node(e, haveData);
// 尝试将 node 追加对队列尾部,并返回他的上一个节点。
Node pred = tryAppend(s, haveData);
// 如果返回的是 null, 表示不能追加到 tail 节点,因为 tail 节点的模式和当前模式相反.
if (pred == null)
// 重来
continue retry; // lost race vs opposite mode
// 如果不是异步操作(即立刻返回结果)
if (how != ASYNC)
// 阻塞等待匹配值
return awaitMatch(s, pred, e, (how == TIMED), nanos);
}
return e; // not waiting
}
}

代码有点长,其实逻辑很简单。

逻辑如下:
找到 head 节点,如果 head 节点是匹配的操作,就直接赋值,如果不是,添加到队列中。

注意:队列中永远只有一种类型的操作,要么是 put 类型, 要么是 take 类型.

整个过程如下图:

image.png

相比较 SynchronousQueue 多了一个可以存储的队列,相比较 LinkedBlockingQueue 多了直接传递元素,少了用锁来同步。

性能更高,用处更大。

5. 总结

LinkedTransferQueueSynchronousQueueLinkedBlockingQueue 的合体,性能比 LinkedBlockingQueue 更高(没有锁操作),比 SynchronousQueue能存储更多的元素。

put 时,如果有等待的线程,就直接将元素 “交给” 等待者, 否则直接进入队列。

puttransfer 方法的区别是,put 是立即返回的, transfer 是阻塞等待消费者拿到数据才返回。transfer方法和 SynchronousQueue的 put 方法类似。