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阻塞队列之三:SynchronousQueue同步队列 阻塞算法的3种实现

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

package com.dxz.queue.block;

import java.util.concurrent.SynchronousQueue;

public class SynchronousQueueDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final SynchronousQueue<Integer> queue = new SynchronousQueue<Integer>();

        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
take from putThread: 1
take thread end
put 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<E> {
    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<String> queue = new NativeSynchronousQueue<String>();
        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:

package com.dxz.queue.block;

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class SemaphoreSynchronousQueue<E> {
    E item = null;
    Semaphore sync = new Semaphore(0);
    Semaphore send = new Semaphore(1);
    Semaphore recv = new Semaphore(0);
 
    public E take() throws InterruptedException {
        recv.acquire();
        E x = item;
        sync.release();
        send.release();
        return x;
    }
 
    public void put (E x) throws InterruptedException{
        send.acquire();
        item = x;
        recv.release();
        sync.acquire();
    }
}

package com.dxz.queue.block;

public class SemaphoreSynchronousQueueTest {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final SemaphoreSynchronousQueue<String> queue = new SemaphoreSynchronousQueue<String>();
        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
take from putThread: 1
take thread end
put 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

package com.dxz.queue.block;

import java.util.Queue;
import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class Java5SynchronousQueue<E> {
    ReentrantLock qlock = new ReentrantLock();
    Queue waitingProducers = new Queue();
    Queue waitingConsumers = new Queue();

    static class Node extends AbstractQueuedSynchronizer {
        E item;
        Node next;

        Node(Object x) { item = x; }
        void waitForTake() { /* (uses AQS) */ }
           E waitForPut() { /* (uses AQS) */ }
    }

    public E take() {
        Node node;
        boolean mustWait;
        qlock.lock();
        node = waitingProducers.pop();
        if(mustWait = (node == null))
           node = waitingConsumers.push(null);
         qlock.unlock();

        if (mustWait)
           return node.waitForPut();
        else
            return node.item;
    }

    public void put(E e) {
         Node node;
         boolean mustWait;
         qlock.lock();
         node = waitingConsumers.pop();
         if (mustWait = (node == null))
             node = waitingProducers.push(e);
         qlock.unlock();

         if (mustWait)
             node.waitForTake();
         else
            node.item = e;
    }
}

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

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)。

    /**
     * Shared internal API for dual stacks and queues.
     */
    static abstract class Transferer {
        /**
         * Performs a put or take.
         *
         * @param e if non-null, the item to be handed to a consumer;
         *          if null, requests that transfer return an item
         *          offered by producer.
         * @param timed if this operation should timeout
         * @param nanos the timeout, in nanoseconds
         * @return if non-null, the item provided or received; if null,
         *         the operation failed due to timeout or interrupt --
         *         the caller can distinguish which of these occurred
         *         by checking Thread.interrupted.
         */
        abstract Object transfer(Object e, boolean timed, long nanos);
    }

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:

       /**
         * Puts or takes an item.
         */
        Object transfer(Object e, boolean timed, long nanos) {
            /* Basic algorithm is to loop trying to take either of
             * two actions:
             *
             * 1. If queue apparently empty or holding same-mode nodes,
             *    try to add node to queue of waiters, wait to be
             *    fulfilled (or cancelled) and return matching item.
             *
             * 2. If queue apparently contains waiting items, and this
             *    call is of complementary mode, try to fulfill by CAS'ing
             *    item field of waiting node and dequeuing it, and then
             *    returning matching item.
             *
             * In each case, along the way, check for and try to help
             * advance head and tail on behalf of other stalled/slow
             * threads.
             *
             * The loop starts off with a null check guarding against
             * seeing uninitialized head or tail values. This never
             * happens in current SynchronousQueue, but could if
             * callers held non-volatile/final ref to the
             * transferer. The check is here anyway because it places
             * null checks at top of loop, which is usually faster
             * than having them implicitly interspersed.
             */

            QNode s = null; // constructed/reused as needed
            boolean isData = (e != null);

            for (;;) {
                QNode t = tail;
                QNode h = head;
                if (t == null || h == null)         // saw uninitialized value
                    continue;                       // spin

                if (h == t || t.isData == isData) { // empty or same-mode
                    QNode tn = t.next;
                    if (t != tail)                  // inconsistent read
                        continue;
                    if (tn != null) {               // lagging tail
                        advanceTail(t, tn);
                        continue;
                    }
                    if (timed &amp;&amp; nanos &lt;= 0)        // can't wait
                        return null;
                    if (s == null)
                        s = new QNode(e, isData);
                    if (!t.casNext(null, s))        // failed to link in
                        continue;

                    advanceTail(t, s);              // swing tail and wait
                    Object x = awaitFulfill(s, e, timed, nanos);
                    if (x == s) {                   // wait was cancelled
                        clean(t, s);
                        return null;
                    }

                    if (!s.isOffList()) {           // not already unlinked
                        advanceHead(t, s);          // unlink if head
                        if (x != null)              // and forget fields
                            s.item = s;
                        s.waiter = null;
                    }
                    return (x != null)? x : e;

                } else {                            // complementary-mode
                    QNode m = h.next;               // node to fulfill
                    if (t != tail || m == null || h != head)
                        continue;                   // inconsistent read

                    Object x = m.item;
                    if (isData == (x != null) ||    // m already fulfilled
                        x == m ||                   // m cancelled
                        !m.casItem(x, e)) {         // lost CAS
                        advanceHead(h, m);          // dequeue and retry
                        continue;
                    }

                    advanceHead(h, m);              // successfully fulfilled
                    LockSupport.unpark(m.waiter);
                    return (x != null)? x : e;
                }
            }
        }

 

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:

 

这里写图片描述
 

 

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:

 

这里写图片描述
 

 

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

 

这里写图片描述
 

 

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:

 

这里写图片描述
 

 

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。

 

转自:Java并发包中的同步队列SynchronousQueue实现原理

 

posted on 2013-08-12 09:23 duanxz 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏