【Java 并发】【十】【JUC数据结构】【六】SynchronousQueue同步阻塞队列原理

1  前言

看过了LinkedBlockingQueue、ArrayBlockingQueue、DelayQueue等阻塞队列，这节我们又要看一个不一样的队列，SynchronousQueue同步阻塞队列。

2  SynchronousQueue是什么

SynchronousQueue的同步队列，使用的场景比较少，主要是用来做线程之间的数据同步传输的。
线程之间的同步数据传输是什么意思？我看LinkedBlockingQueue、ArrayBlockingQueue不也是使用在线程之间传输数据吗，生产者线程往队列里面存入数据，消费者线程从队列里面取出数据，进行线程之间的数据传输。
确实是这样的，LinkedBlockingQueue、ArrayBlockingQueue、DelayQueue之类的阻塞队列，有一个容器的概念，生产者只需要往容器里面存入数据就完事了，如下图所示：

这里的图，生产者线程和消费者线程没有之间的交互；生产者只负责把数据放入容器中，消费者只负责从容器中取出数据进行消费。这种模型类似于生产者通过容器将数据间接的传递给了消费者。
然而SynchronousQueue的模型是不一样的，生产者和消费者的数据传输不是通过容器来的，而SynchronousQueue内部没有存储数据的容器。
（1）生产者是直接将数据传递给消费者的，通过手递手的方式来进行传递，同时消费者线程直接从生产者线程手中取得数据。
（2）如果生产者线程A传输过程中，发现没有消费者线程获取自己的数据，自己则阻塞等待；直到有消费者线程B取数据的时候唤醒生产者线程A，然后生产者线程A亲手数据交给消费者线程B。
（3）同理，如果消费者线程B取数据的时候，发现没有生产者线程传递数据过来，自己则阻塞等待；直到有生产者线程A传递数据的时候唤醒消费者线程B，然后生产者线程A亲手数据交给消费者线程B。
就类似如下的模型：

（1）如上图所示：生产者线程A、线程B在传递数据给消费者的时候；发现此时没有消费者线程取数据，此时自己进入阻塞队列阻塞等待。
（2）同理消费者线程C、线程D在取数据的时候，发现没有生产者线程传递数据过来，此时消费者线程进入阻塞队列阻塞等待。

我们继续，假设首先生产者线程A、线程B在传递数据的时候发现没有消费者线程取，自己阻塞等待。然后过一段时间之后，当消费者线程B、线程C来取数据就会得到如下图形：

（1）线程A、线程B在传递数据的时候发现没有消费者线程取数据，这个时候，线程A、线程B进入阻塞队列阻塞等待
（2）等一段时间之后，线程C来取数据了，这个时候发现已经有生产者在等着把数据给我了，这个时候我唤醒生产者线程A，然后线程A把数据传给线程C。

同样的道理，假设最开始是线程C、线程D来取数据，但是发现没有生产者传递数据过来，自己就会进入阻塞等待；但是一段时间之后生产者线程A、线程B来传递数据过来，就会唤醒线程C、线程D，然后亲手把数据传给线程C、线程D，就会得到如下图形：

（1）消费者线程C、线程D取数据发现，没有生产者给传数据给它们；然后就进入阻塞队列阻塞等待
（2）生产者线程A要进行数据传递，检查发现等待队列已经有人在等待取数据了，此时唤醒线程C，然后将数据交给线程C

那么通过上述我们大概可以总结下：

（1）首先SynchronousQueue队列是没有存储数据的容器的，要进行数据传输，必须是要进行手递手传递，也就是生产者必须亲手传递给消费者
（2）其次是生产者和消费者必须一一匹配，如果只有生产者传递数据，此时需要进入等待队列阻塞等待，然后由消费者将其唤醒；同样只有消费者取数据也需要在阻塞队列等待，然后由生产者将其唤醒。

我们接下来就来看看具体是如何实现的。

3  SynchronousQueue内部源码

我们来看下SynchronousQueue的各个方法的源码：

3.1  put方法

public void put(E e) throws InterruptedException {
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    // 调用底层的transfer表示要进行数据传输，e 是要进行传输的元素
    // false表示不可设置阻塞时间，也就是如果没消费者取数据，则一直阻塞等待
    // 0 表示一直阻塞等待
    if (transferer.transfer(e, false, 0) == null) {
        // 如果返回null，说明线程被中断或者超时了
        Thread.interrupted();
        throw new InterruptedException();
    }
}

3.2  take方法

public E take() throws InterruptedException {
    // 和put方法一样，取数据的时候也是调用transfer方法
    // null表示自己是进行取数据操作，如果传递不是null则是数据传输操作
    // false表示如果没有生产者传输数据，则一直阻塞等待
    // 0 表示一直阻塞等待
    E e = transferer.transfer(null, false, 0);
    if (e != null)
        // 如果拉取到的数据非null，说明取数据成功，返回数据
        return e;
    // 取数据失败，线程被中断了
    Thread.interrupted();
    throw new InterruptedException();
}

上面的源码我们得出，生产者调用transfer来进行数据传输的，传递的数据为e；消费者通过调用transfer来获取数据，参数null表示取数据。生产者和消费者调用同样的方法，操作不同通过参数是否为null来区分。

3.3  offer(E e)方法

public boolean offer(E e) {
    // 检查传递的元素e非null，如果是null则抛出异常
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    // e表示要传递的数据
    // true && 0 表示如果没有消费者取数据下，自己要阻塞等待的时间为0纳秒
    // 也就是说如果没有消费者取数据，马上返回传输失败
    return transferer.transfer(e, true, 0) != null;
}

offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)方法：

public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
    throws InterruptedException {
    // 检查要传递的数据e非null，如果是null抛出异常
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    // e表示要进行传输的数据
    // true && timeout表示如果没有消费者取数据的情况下
    // 最多等待timeout的时间，如果超时还是没有消费者取数据，就返回失败
    if (transferer.transfer(e, true, unit.toNanos(timeout)) != null)
        return true;
    if (!Thread.interrupted())
        return false;
    throw new InterruptedException();
}

3.4  poll方法

public E poll() {
    // 直接调用transfer方法取数据
    // 传递参数null表示自己的操作是消费者取数据，区分生产者的传递操作
    // true && 0 表示如果此时没有生产者传输数据过来，则立马返回取数据失败
    return transferer.transfer(null, true, 0);
}

poll(long timeout, TimeUnit unit)方法：

public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
    // 调用transfer方法进行取数据
    // null表示自己的操作是消费者取数据，区分生产者传输数据操作
    // true && timeout 表示如果取数据的时候没有生产者发送数据过来
    // 最多阻塞等待timeout的时间，超过了这个时间还是没有生产者发送数据过来，抛出中断异常
    E e = transferer.transfer(null, true, unit.toNanos(timeout));
    if (e != null || !Thread.interrupted())
        return e;
    throw new InterruptedException();
}

SynchronousQueue同步等待队列的源码精髓就在于transfer方法里面了，生产者传输数据、消费者取数据都是通过transfer方法来实现的。

4  小结

到这里，SynchronousQueue延迟队列就看的差不多了，这个阻塞队列的使用场景其实并不多，大多数是在线程之间的同步数据传递场景，有理解不对的地方欢迎指正哈。