并发编程—— LinkedTransferQueue

1. 前言

Java 中总的算起来有 8 种阻塞队列。

 

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。

LinkedBlockingDeque是一个双向链表的队列。常用于 “工作窃取算法”。

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。

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

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 LinkedBolckingQueue 和 SynchronousQueue 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

 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。

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：

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

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

当 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。

put和 transfer 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。