一、SynchronousQueue简介

　　Java 6的并发编程包中的SynchronousQueue是一个没有数据缓冲的BlockingQueue，生产者线程对其的插入操作put必须等待消费者的移除操作take，反过来也一样。

不像ArrayBlockingQueue或LinkedListBlockingQueue，SynchronousQueue内部并没有数据缓存空间，你不能调用peek()方法来看队列中是否有数据元素，因为数据元素只有当你试着取走的时候才可能存在，不取走而只想偷窥一下是不行的，当然遍历这个队列的操作也是不允许的。队列头元素是第一个排队要插入数据的线程，而不是要交换的数据。数据是在配对的生产者和消费者线程之间直接传递的，并不会将数据缓冲数据到队列中。可以这样来理解：生产者和消费者互相等待对方，握手，然后一起离开。

 

特点： 

1、不能在同步队列上进行 peek，因为仅在试图要取得元素时，该元素才存在； 

2、除非另一个线程试图移除某个元素，否则也不能（使用任何方法）添加元素;也不能迭代队列，因为其中没有元素可用于迭代。队列的头是尝试添加到队列中的首个已排队线程元素； 如果没有已排队线程，则不添加元素并且头为 null。 

3、对于其他 Collection 方法（例如 contains），SynchronousQueue 作为一个空集合。此队列不允许 null 元素。

4、它非常适合于传递性设计，在这种设计中，在一个线程中运行的对象要将某些信息、事件或任务传递给在另一个线程中运行的对象，它就必须与该对象同步。 

5、对于正在等待的生产者和使用者线程而言，此类支持可选的公平排序策略。默认情况下不保证这种排序。 但是，使用公平设置为 true 所构造的队列可保证线程以 FIFO 的顺序进行访问。 公平通常会降低吞吐量，但是可以减小可变性并避免得不到服务。 

6、SynchronousQueue的以下方法： 

    * iterator() 永远返回空，因为里面没东西。 

    * peek() 永远返回null。 

    * put() 往queue放进去一个element以后就一直wait直到有其他thread进来把这个element取走。 

    * offer() 往queue里放一个element后立即返回，如果碰巧这个element被另一个thread取走了，offer方法返回true，认为offer成功；否则返回false。 

    * offer(2000, TimeUnit.SECONDS) 往queue里放一个element但是等待指定的时间后才返回，返回的逻辑和offer()方法一样。 

    * take() 取出并且remove掉queue里的element（认为是在queue里的。。。），取不到东西他会一直等。 

    * poll() 取出并且remove掉queue里的element（认为是在queue里的。。。），只有到碰巧另外一个线程正在往queue里offer数据或者put数据的时候，该方法才会取到东西。否则立即返回null。 

    * poll(2000, TimeUnit.SECONDS) 等待指定的时间然后取出并且remove掉queue里的element,其实就是再等其他的thread来往里塞。 

    * isEmpty()永远是true。 

    * remainingCapacity() 永远是0。 

    * remove()和removeAll() 永远是false。 

SynchronousQueue 内部没有容量，但是由于一个插入操作总是对应一个移除操作，反过来同样需要满足。那么一个元素就不会再SynchronousQueue 里面长时间停留，一旦有了插入线程和移除线程，元素很快就从插入线程移交给移除线程。也就是说这更像是一种信道（管道），资源从一个方向快速传递到另一方 向。显然这是一种快速传递元素的方式，也就是说在这种情况下元素总是以最快的方式从插入着（生产者）传递给移除着（消费者），这在多任务队列中是最快处理任务的方式。在线程池里的一个典型应用是Executors.newCachedThreadPool()就使用了SynchronousQueue，这个线程池根据需要（新任务到来时）创建新的线程，如果有空闲线程则会重复使用，线程空闲了60秒后会被回收。

二、 使用示例

结果：

put thread starttake thread starttake from putThread: 1take thread endput thread end

 

三、实现原理

3.1、阻塞算法实现

3.1.1、使用wait和notify实现

　　阻塞算法实现通常在内部采用一个锁来保证多个线程中的put()和take()方法是串行执行的。采用锁的开销是比较大的，还会存在一种情况是线程A持有线程B需要的锁，B必须一直等待A释放锁，即使A可能一段时间内因为B的优先级比较高而得不到时间片运行。所以在高性能的应用中我们常常希望规避锁的使用。

package com.dxz.queue.block;public class NativeSynchronousQueue
      
        {    boolean putting = false;    E item = null;    public synchronized E take() throws InterruptedException {        while (item == null)            wait();        E e = item;        item = null;        notifyAll();        return e;    }    public synchronized void put(E e) throws InterruptedException {        if (e == null)            return;        while (putting)            wait();        putting = true;        item = e;        notifyAll();        while (item != null)            wait();        putting = false;        notifyAll();    }}package com.dxz.queue.block;public class NativeSynchronousQueueTest {    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {        final NativeSynchronousQueue
       
         queue = new NativeSynchronousQueue
        
         ();        Thread putThread = new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                System.out.println("put thread start");                try {                    queue.put("1");                } catch (InterruptedException e) {                }                System.out.println("put thread end");            }        });        Thread takeThread = new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                System.out.println("take thread start");                try {                    System.out.println("take from putThread: " + queue.take());                } catch (InterruptedException e) {                }                System.out.println("take thread end");            }        });        putThread.start();        Thread.sleep(1000);        takeThread.start();    }}
        
       
      

 

结果：

put thread start

take thread start

put thread end

take from putThread: 1

take thread end

 3.1.2、信号量实现

经典同步队列实现采用了三个信号量，代码很简单，比较容易理解：

结果：put thread starttake thread starttake from putThread: 1take thread endput thread end

在多核机器上，上面方法的同步代价仍然较高，操作系统调度器需要上千个时间片来阻塞或唤醒线程，而上面的实现即使在生产者put()时已经有一个消费者在等待的情况下，阻塞和唤醒的调用仍然需要。

 3.1.3、Java 5实现

Java 5的实现相对来说做了一些优化，只使用了一个锁，使用队列代替信号量也可以允许发布者直接发布数据，而不是要首先从阻塞在信号量处被唤醒。

 3.1.4、Java6实现

Java 6的SynchronousQueue的实现采用了一种性能更好的无锁算法 — 扩展的“Dual stack and Dual queue”算法。性能比Java5的实现有较大提升。竞争机制支持公平和非公平两种：非公平竞争模式使用的数据结构是后进先出栈(Lifo Stack)；公平竞争模式则使用先进先出队列（Fifo Queue），性能上两者是相当的，一般情况下，Fifo通常可以支持更大的吞吐量，但Lifo可以更大程度的保持线程的本地化。

代码实现里的Dual Queue或Stack内部是用链表(LinkedList)来实现的，其节点状态为以下三种情况：

1. 持有数据 – put()方法的元素
2. 持有请求 – take()方法
3. 空

这个算法的特点就是任何操作都可以根据节点的状态判断执行，而不需要用到锁。

其核心接口是Transfer，生产者的put或消费者的take都使用这个接口，根据第一个参数来区别是入列（栈）还是出列（栈）。

TransferQueue实现如下(摘自Java 6源代码)，入列和出列都基于Spin和CAS方法：

 

3.2、SynchronousQueue实现原理

 　　不像ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingDeque之类的阻塞队列依赖AQS实现并发操作，SynchronousQueue直接使用CAS实现线程的安全访问。由于源码中充斥着大量的CAS代码，不易于理解，所以按照笔者的风格，接下来会使用简单的示例来描述背后的实现模型。

队列的实现策略通常分为公平模式和非公平模式，接下来将分别进行说明。

3.2.1、公平模式下的模型：

　　公平模式下，底层实现使用的是TransferQueue这个内部队列，它有一个head和tail指针，用于指向当前正在等待匹配的线程节点。

初始化时，TransferQueue的状态如下：

接着我们进行一些操作：

1、线程put1执行 put(1)操作，由于当前没有配对的消费线程，所以put1线程入队列，自旋一小会后睡眠等待，这时队列状态如下：

2、接着，线程put2执行了put(2)操作，跟前面一样，put2线程入队列，自旋一小会后睡眠等待，这时队列状态如下：

3、这时候，来了一个线程take1，执行了 take操作，由于tail指向put2线程，put2线程跟take1线程配对了(一put一take)，这时take1线程不需要入队，但是请注意了，这时候，要唤醒的线程并不是put2，而是put1。为何？ 大家应该知道我们现在讲的是公平策略，所谓公平就是谁先入队了，谁就优先被唤醒，我们的例子明显是put1应该优先被唤醒。至于读者可能会有一个疑问，明明是take1线程跟put2线程匹配上了，结果是put1线程被唤醒消费，怎么确保take1线程一定可以和次首节点(head.next)也是匹配的呢？其实大家可以拿个纸画一画，就会发现真的就是这样的。

公平策略总结下来就是：队尾匹配队头出队。

执行后put1线程被唤醒，take1线程的 take()方法返回了1(put1线程的数据)，这样就实现了线程间的一对一通信，这时候内部状态如下：

 

4、最后，再来一个线程take2，执行take操作，这时候只有put2线程在等候，而且两个线程匹配上了，线程put2被唤醒，

take2线程take操作返回了2(线程put2的数据)，这时候队列又回到了起点，如下所示：

 

以上便是公平模式下，SynchronousQueue的实现模型。总结下来就是：队尾匹配队头出队，先进先出，体现公平原则。

 

 

 

非公平模式下的模型：

 

我们还是使用跟公平模式下一样的操作流程，对比两种策略下有何不同。非公平模式底层的实现使用的是TransferStack，

一个栈，实现中用head指针指向栈顶，接着我们看看它的实现模型:

 

1、线程put1执行 put(1)操作，由于当前没有配对的消费线程，所以put1线程入栈，自旋一小会后睡眠等待，这时栈状态如下：

 

 

 

2、接着，线程put2再次执行了put(2)操作，跟前面一样，put2线程入栈，自旋一小会后睡眠等待，这时栈状态如下：

 

 

 

3、这时候，来了一个线程take1，执行了take操作，这时候发现栈顶为put2线程，匹配成功，但是实现会先把take1线程入栈，然后take1线程循环执行匹配put2线程逻辑，一旦发现没有并发冲突，就会把栈顶指针直接指向 put1线程

 

 

 

4、最后，再来一个线程take2，执行take操作，这跟步骤3的逻辑基本是一致的，take2线程入栈，然后在循环中匹配put1线程，最终全部匹配完毕，栈变为空，恢复初始状态，如下图所示：

 

 

 

可以从上面流程看出，虽然put1线程先入栈了，但是却是后匹配，这就是非公平的由来。

 

总结

 

SynchronousQueue由于其独有的线程一一配对通信机制，在大部分平常开发中，可能都不太会用到，但线程池技术中会有所使用，由于内部没有使用AQS，而是直接使用CAS，所以代码理解起来会比较困难，但这并不妨碍我们理解底层的实现模型，在理解了模型的基础上，有兴趣的话再查阅源码，就会有方向感，看起来也会比较容易，希望本文有所借鉴意义。

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