Java 集合框架（五）：阻塞队列
阻塞队列
如果我们想要在线程安全的场景下使用队列，只有两个选择，一个是上面讲过的 ConcurrentLinkedQueue，还有就是我们要将的阻塞队列。
从名字我们就可以判断出阻塞队列适用的场景，那就是生产者消费者模式。阻塞对垒的添加和删除操作在队列满或者空的时候会被阻塞。这就保证了线程安全。
阻塞队列提供了四种处理方法：
| 方法 | 抛异常 | 返回特殊值 | 一直阻塞 | 超时退出 |
|---|---|---|---|---|
| 插入 | add(E e) | offer(e) | put(e) | offer(e,time,unit) |
| 删除 | remove() | poll() | take() | poll(time, unit) |
| 获取 | element() | peek() | 不可用 | 不可用 |
阻塞方法 put 和 take，当队列满时，如果生产者继续 put，队列会一直阻塞生产者线程，直到拿到数据，或者响应中断退出。当队列为空时，如果消费者继续 take，队列也会阻塞消费者线程，直到队列可用。
BlockingQueue 提供了很多安全高效的队列接口，为我们快速搭建高质量的多线程程序带来了极大的便利。
BlockingQueue 的底层基于 ReentrantLock 来实现。
重要成员
| 队列 | 有界性 | 锁 | 底层结构 |
|---|---|---|---|
| ArrayBlockingQueue | 有界 | 锁 | 数组 |
| LinkedBlockingQueue | 有界 | 锁 | 链表 |
| PriorityBlockingQueue | 无界 | 锁 | 堆 |
| DelayQueue | 无界 | 锁 | 堆 |
| SynchronousQueue | 有界 | 锁 | 无 |
| LinkedTransferQueue | 无界 | 锁 | 堆 |
| LinkedBllockingDeque | 无界 | 无锁 | 堆 |
ArrayBlockingQueue
是用数组实现的有界阻塞队列。严格的 FIFO 顺序堆元素进行排序。支持公平锁和非公平锁（从 ReentrantLock 继承来的属性）。
先来看 ArrayBlockingQueue 的构造方法都做了什么。
public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
this(capacity, false);
}
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
if (capacity <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
this.items = new Object[capacity];
lock = new ReentrantLock(fair); //重入锁，出队和入队持有这一把锁
notEmpty = lock.newCondition(); //初始化非空等待队列
notFull = lock.newCondition(); //初始化非满等待队列
}
- 构造了一个容量为 capacity 的 Object 数组用于保存对象。
- 构造了 ReentrantLock 锁，可以选择公平或者非公平锁。
- 两个 condition 对象用来实现生产者消费者模式的阻塞与唤醒。
offer
public boolean offer(E e) {
checkNotNull(e); //对请求数据做判断
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
f (count == items.length)
return false;
else {
enqueue(e);
return true;
}
} finally {
lock.unlock();
}
}
private void enqueue(E x) {
// assert lock.getHoldCount() == 1;
// assert items[putIndex] == null;
final Object[] items = this.items;
items[putIndex] = x; //通过 putIndex 对数据赋值
if (++putIndex == items.length) // 当putIndex 等于数组长度时，将 putIndex 重置为 0
putIndex = 0;
count++;//记录队列元素的个数
notEmpty.signal();//唤醒处于等待状态下的线程，表示当前队列中的元素不为空,如果存在消费者线程阻塞，就可以开始取出元素
}
- 对整个代码加锁。
- 如果当前队列满了，直接返回 false。
- 否则将元素加入队列，同时 notEmpty.singal()。
put
put 总体和 offer 的功能差不多，只不过，在队列满的时候，会调用 await 方法对线程进行阻塞。
public void put(E e) throws InterruptedException {
checkNotNull(e);
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly(); //这个也是获得锁，但是和 lock 的区别是，这个方法优先允许在等待时由其他线程调用等待线程的 interrupt 方法来中断等待直接返回。而 lock方法是尝试获得锁成功后才响应中断
try {
while (count == items.length)
notFull.await();//队列满了的情况下，当前线程将会被 notFull 条件对象挂起加到等待队列中
enqueue(e);
} finally {
lock.unlock();
}
}
poll 和 take
poll 和 take 的实现与 offer 和 put 相差不多。这里给出 take 的代码。
private E dequeue() {
// assert lock.getHoldCount() == 1;
// assert items[takeIndex] != null;
final Object[] items = this.items;
@SuppressWarnings("unchecked")
E x = (E) items[takeIndex]; //默认获取 0 位置的元素
items[takeIndex] = null;//将该位置的元素设置为空
if (++takeIndex == items.length)//这里的作用也是一样，如果拿到数组的最大值，那么重置为 0，继续从头部位置开始获取数据
takeIndex = 0;
count--;//记录 元素个数递减
if (itrs != null)
itrs.elementDequeued();//同时更新迭代器中的元素数据
notFull.signal();//触发 因为队列满了以后导致的被阻塞的线程
return x;
}
LinkedBlockingQueue
一个由链表构成的有界队列，最大长度为 Integer.MAX_VALUE。此队列按照先进先出的顺序进行排序。
先来看成员变量
public class LinkedBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
//队列容量大小，默认为Integer.MAX_VALUE
private final int capacity;
//队列中元素个数：(与ArrayBlockingQueue的不同)
//出队和入队是两把锁
private final AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
//队列--头结点
private transient Node<E> head;
//队列--尾结点
private transient Node<E> last;
//与ArrayBlockingQueue的不同,两把锁
//读取锁
private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();
//出队等待条件
private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();
//插入锁
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();
//入队等待条件
private final Condition notFull = putLock.newCondition();
}
- ArrayBlockingQueue 只有一把锁，所以入队和出队同一时刻只能有一个操作被执行，不允许入队和出队同时执行。
- LinkedBlockingQueue 有两把锁，一把入队锁，一把出队锁。可以满足多线程环境下的同时入对和出队。
- ArrayBlockingQueue 中由于出入队使用了同一把锁，无论元素增加还是减少，都不会影响到队列元素数量的统计，所以使用 int 类型的 count 值，而 LinkedBlockingQueue 有两把锁，涉及到并发对元素数量的修改，所以使用了线程安全的原子类 AtomicInteger。
底层的链表的结构。
//队列存储元素的结点(链表结点):
static class Node<E> {
//队列元素：
E item;
//链表中指向的下一个结点
Node<E> next;
//结点构造：
Node(E x) { item = x; }
}
构造函数。
//默认构造函数：
public LinkedBlockingQueue() {
//默认队列长度为Integer.MAX_VALUE
this(Integer.MAX_VALUE);
}
//指定队列长度的构造函数：
public LinkedBlockingQueue(int capacity) {
//初始化链表长度不能为0
if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
this.capacity = capacity;
//设置头尾结点，元素为null
last = head = new Node<E>(null);
}
初始长度为 int 的最大值。
put
核心原理与 ArrayBlockingQueue 几本差不多。
public void put(E e) throws InterruptedException {
if (e == null) throw new NullPointerException();
// Note: convention in all put/take/etc is to preset local var
/*注意上面这句话,约定所有的put/take操作都会预先设置本地变量,
可以看到下面有一个将putLock赋值给了一个局部变量的操作
*/
int c = -1;
Node<E> node = new Node(e);
/*
在这里首先获取到putLock,以及当前队列的元素数量
即上面所描述的预设置本地变量操作
*/
final ReentrantLock putLock = this.putLock;
final AtomicInteger count = this.count;
/*
执行可中断的锁获取操作,即意味着如果线程由于获取
锁而处于Blocked状态时，线程是可以被中断而不再继
续等待，这也是一种避免死锁的一种方式，不会因为
发现到死锁之后而由于无法中断线程最终只能重启应用。
*/
putLock.lockInterruptibly();
try {
/*
当队列的容量到底最大容量时,此时线程将处于等待状
态，直到队列有空闲的位置才继续执行。使用while判
断依旧是为了放置线程被"伪唤醒”而出现的情况,即当
线程被唤醒时而队列的大小依旧等于capacity时，线
程应该继续等待。
*/
while (count.get() == capacity) {
notFull.await();
}
//让元素进行队列的末尾,enqueue代码在上面分析过了
enqueue(node);
//首先获取原先队列中的元素个数,然后再对队列中的元素个数+1.
c = count.getAndIncrement();
/*注:c+1得到的结果是新元素入队列之后队列元素的总和。
当前队列中的总元素个数小于最大容量时,此时唤醒其他执行入队列的线程
让它们可以放入元素,如果新加入元素之后,队列的大小等于capacity，
那么就意味着此时队列已经满了,也就没有必须要唤醒其他正在等待入队列的线程,因为唤醒它们之后，它们也还是继续等待。
*/
if (c + 1 < capacity)
notFull.signal();
} finally {
//完成对锁的释放
putLock.unlock();
}
/*当c=0时，即意味着之前的队列是空队列,出队列的线程都处于等待状态，
现在新添加了一个新的元素,即队列不再为空,因此它会唤醒正在等待获取元素的线程。
*/
if (c == 0)
signalNotEmpty();
}
/*
唤醒正在等待获取元素的线程,告诉它们现在队列中有元素了
*/
private void signalNotEmpty() {
final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
takeLock.lock();
try {
//通过notEmpty唤醒获取元素的线程
notEmpty.signal();
} finally {
takeLock.unlock();
}
}
offer
offer 方法在队列满的时候会直接返回 false。其他与 put 没有差别。
/**
在BlockingQueue接口中除了定义put方法外(当队列元素满了之后就会阻塞，
直到队列有新的空间可以方法线程才会继续执行)，还定义一个offer方法，
该方法会返回一个boolean值，当入队列成功返回true,入队列失败返回false。
该方法与put方法基本操作基本一致，只是有细微的差异。
*/
public boolean offer(E e) {
if (e == null) throw new NullPointerException();
final AtomicInteger count = this.count;
/*
当队列已经满了，它不会继续等待,而是直接返回。
因此该方法是非阻塞的。
*/
if (count.get() == capacity)
return false;
int c = -1;
Node<E> node = new Node(e);
final ReentrantLock putLock = this.putLock;
putLock.lock();
try {
/*
当获取到锁时，需要进行二次的检查,因为可能当队列的大小为capacity-1时，
两个线程同时去抢占锁，而只有一个线程抢占成功，那么此时
当线程将元素入队列后，释放锁，后面的线程抢占锁之后，此时队列
大小已经达到capacity，所以将它无法让元素入队列。
下面的其余操作和put都一样，此处不再详述
*/
if (count.get() < capacity) {
enqueue(node);
c = count.getAndIncrement();
if (c + 1 < capacity)
notFull.signal();
}
} finally {
putLock.unlock();
}
if (c == 0)
signalNotEmpty();
return c >= 0;
}
take
Take 方法的实现思路与 ArrayBlockingQueue 没有任何差别，只不过这里使用 takeLock。
public E take() throws InterruptedException {
E x;
int c = -1;
final AtomicInteger count = this.count;
final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
//通过takeLock获取锁，并且支持线程中断
takeLock.lockInterruptibly();
try {
//当队列为空时，则让当前线程处于等待
while (count.get() == 0) {
notEmpty.await();
}
//完成元素的出队列
x = dequeue();
/*
队列元素个数完成原子化操作-1,可以看到count元素会
在插入元素的线程和获取元素的线程进行并发修改操作。
*/
c = count.getAndDecrement();
/*
当一个元素出队列之后，队列的大小依旧大于1时
当前线程会唤醒其他执行元素出队列的线程,让它们也
可以执行元素的获取
*/
if (c > 1)
notEmpty.signal();
} finally {
//完成锁的释放
takeLock.unlock();
}
/*
当c==capaitcy时，即在获取当前元素之前，
队列已经满了，而此时获取元素之后，队列就会
空出一个位置，故当前线程会唤醒执行插入操作的线
程通知其他中的一个可以进行插入操作。
*/
if (c == capacity)
signalNotFull();
return x;
}
/**
* 让头部元素出队列的过程
* 其最终的目的是让原来的head被GC回收，让其的next成为head
* 并且新的head的item为null.
* 因为LinkedBlockingQueue的头部具有一致性:即元素为null。
*/
private E dequeue() {
Node<E> h = head;
Node<E> first = h.next;
h.next = h; // help GC
head = first;
E x = first.item;
first.item = null;
return x;
}
选择 LinkedBlockingQueue 的理由
固定线程数的线程池里面就选用了 LinkedBlockingQueue 这个无界队列。
/**
下面的代码是Executors创建固定大小线程池的代码，其使用了
LinkedBlockingQueue来作为任务队列。
*/
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}
对于固定大小的线程池来说，线程数量有限，很容易出现所有线程都在工作的情况。此时如果再给一个有界队列，很容易导致任务无法提交而出现拒绝的情况。LinkedBlockingQueue 由于其良好的存储容量伸缩性，可以很好的去缓冲任务，非常灵活。
PriorityBlockingQueue
PriorityBlockingQueue 是一个基于优先级的无界阻塞队列。基于优先级是因为它的底层是通过堆这种数据结构来实现的，堆可以通过数组来实现。之所以说是无界，是因为它的底层数组可以动态扩容。
出队方式是根据权重来出队。并不是严格的先进先出或者先进后出。
先来看 PriorityBlockingQueue 的属性。
/**
* 默认数组长度
*/
private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 11;
/**
* 最大达容量，分配时超出可能会出现 OutOfMemoryError 异常
*/
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
/**
* 队列，存储我们的元素
*/
private transient Object[] queue;
/**
* 队列长度
*/
private transient int size;
/**
* 比较器，入队进行权重的比较
*/
private transient Comparator<? super E> comparator;
/**
* 显示锁
*/
private final ReentrantLock lock;
/**
* 空队列时进行线程阻塞的 Condition 对象
*/
private final Condition notEmpty;
- 底层数组初始大小为 11。
- 需要传入比较器。
- 入对出队共用一把锁。
- 只有一个针对队列为空的条件的 Condition 对象（理论上是不会满的，自动扩容）。
offer
整体代码与上面两个阻塞队列并没有什么不同，只不过需要根据比较器来对堆中元素进行上浮操作（新加的元素会被放到队尾）。
public void put(E e) {
offer(e); // never need to block
}
public boolean offer(E e) {
//判断是否为空
if (e == null)
throw new NullPointerException();
//显示锁
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
//定义临时对象
int n, cap;
Object[] array;
//判断数组是否满了
while ((n = size) >= (cap = (array = queue).length))
//数组扩容
tryGrow(array, cap);
try {
//拿到比较器
Comparator<? super E> cmp = comparator;
//判断是否有自定义比较器
if (cmp == null)
//堆上浮
siftUpComparable(n, e, array);
else
//使用自定义比较器进行堆上浮
siftUpUsingComparator(n, e, array, cmp);
//队列长度 +1
size = n + 1;
//唤醒休眠的出队线程
notEmpty.signal();
} finally {
//释放锁
lock.unlock();
}
return true;
}
出队方法也与其他队列类似，只不过在删除堆顶部的元素后，需要把队尾的元素放到堆的顶部然后进行下沉操作。
DelayQueue
DelayQueue 中的每个元素都有过期时间，只有过期时间为 0 时这个元素才能被取出。并且这个队列是一个优先级队列。优先级队列的队首位置是即将到期的元素。
来看 DelayQueue 的构造函数。
private final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private final PriorityQueue<E> q = new PriorityQueue<E>();
private Thread leader = null;
private final Condition available = lock.newCondition();
- 内部使用 PriorityQueue 来存放数据。
- 使用 ReentrantLock 来保证数据安全。
- 因为使用了 PriorityQueue，PriorityQueue 的底层是堆，堆是由数组实现的，所以可以实现动态扩容，所以时无界的。
offer
public boolean offer(E e) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
q.offer(e);
if (q.peek() == e) {（2）
leader = null;
available.signal();
}
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}
- 获取锁。
- 插入到优先级队列中。
- 如果刚插入的元素是队列的头，通知消费线程有元素了可以进行消费了（消费线程会判断时间是否满足条件的）。
take
public E take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
for (;;) {
E first = q.peek();
if (first == null) {
available.await();
} else {
long delay = first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS);
if (delay > 0) {
long tl = available.awaitNanos(delay);
} else {
E x = q.poll();
assert x != null;
if (q.size() != 0)
available.signalAll(); // wake up other takers
return x;
}
}
}
} finally {
lock.unlock();
}
}
- 获取到第一个元素（不删除），如果是 null 证明队列为空，await。
- 如果不为 null，判断时间是否满足，不满足继续等待。
- 如果时间满足，取出第一个元素。如果还有其他元素，继续唤醒消费者。
应用场景
- 缓存系统的设计，可以使用 DelayQueue 保存缓存元素的有效期，使用一个线程循环查询 DelayQueue，一旦获取到元素时，表示有效期到了。
- 定时任务调用，使用 DelayQueue 保存当天会执行的任务和执行时间。一旦获取到任务就开始执行，TimerQueue 就是基于 DelayQueue 实现的。
LinkedTransferQueue
可以把它看成 LinkedBlockingQueue 和 SynchronousQueue 的合体。SynchronousQueue 内部无法存储元素，当要添加元素的时候，需要阻塞，而 LinkedBlockingQueue 则内部使用了大量的锁，性能不高。
相比于普通阻塞队列增加的方法：
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();
}
逻辑总结：
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。队列中永远只有一种类型的操作，要么是 put 要么是 take。
SynchronousQueue
SynchronousQueue 是一个内部只包含一个元素的队列。插入元素到队列的线程被阻塞，直到另一个线程从队列中获取到了队列中存储的元素。同理，如果线程尝试获取元素并且当前不存在任何元素，则线程将被阻塞，直到线程将元素插入队列。
SynchronousQueue 是一个无存储空间的阻塞队列。也可以实现公平或者非公平获取。它的每个插入操作都需要等待其他线程相应的删除操作。比较适合切换或者传递的场景。
SynchronousQueue 内部没有容量，所以不能通过 peek 方法来获取头部元素。也不能单独插入元素，可以理解为插入和移除是配对的。
SynchronousQueue 的使用场景是在线程池里。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，如果又空闲线程就重复使用，线程超过 60 秒就被删除。很多高性能的服务器中，如果并发很高，普通的 LinkedQueue 就会成为瓶颈，换上 SynchronousQueue 会好很多。
数据结构
SynchronousQueue 支持公平和非公平策略，所以底层有两种数据结构：队列（公平）和栈（非公平）。
内部类结构
其中比较重要的是左边的三个类，Transferer 定义了转移数据的公共操作，由 TransferStack 和 TransferQueue 具体实现。后面的三各类是为了兼容以前的版本，不做具体解释了。
abstract static class Transferer<E> {
/**
* Performs a put or take.
*/
// 转移数据，put或者take操作
abstract E transfer(E e, boolean timed, long nanos);
}
transfer 方法用于 put 和 take 数据。
TransQueue
构造方法：
创建一个初始化的链表，第一个值为 null，头尾节点都指向它。
TransferQueue() {
QNode h = new QNode(null, false); // initialize to dummy node.
head = h;
tail = h;
}
节点类：
- 指向下一个节点的引用。
- 节点的值。
- 持有该节点的线程。
- isData，用来判断是读数据还是取数据。
/** Node class for TransferQueue. */
static final class QNode {
volatile QNode next; // next node in queue
volatile Object item; // CAS'ed to or from null
volatile Thread waiter; // to control park/unpark
final boolean isData;
}
来看 transfer 方法：
QNode s = null; // constructed/reused as needed
boolean isData = (e != null);// 当输入的是数据时，isData 就是 ture，表明这个操作是一个 put 的操作；同理，当调用者输入的是 null，则是 take 的操作。
for (;;) {
QNode t = tail;
QNode h = head;
if (t == null || h == null) // 如果并发导致未"来得及"初始化
continue; // 自旋重来
// 以下分成两个部分进行
// 1. 头尾相同（表明队列中啥都没有） 或者 当前节点和 操作模式与尾节点的操作模式相同，需要进行链表追加操作。
if (h == t || t.isData == isData) {
QNode tn = t.next;
if (t != tail) // 如果 t 和 tail 不一样，说明，tail 被其他的线程改了，重来
continue;
if (tn != null) { // 如果 tail 的 next 不是空。当前的 tail 不是真正的 tail。
advanceTail(t, tn); // 使用 CAS 将 tail.next 变成 tail,
continue;
}
if (timed && nanos <= 0) // 时间到了，不自旋等待，返回 null，插入失败，获取也是失败的。
return null;
if (s == null) // 如果能走到这里，说明 tail 的 next 是 null，这里的判断是避免重复创建 Qnode 对象。
s = new QNode(e, isData);// 创建一个新的节点。
if (!t.casNext(null, s)) // 尝试 CAS 将这个刚刚创建的节点追加到 tail 的 next 节点上.
continue;// 如果失败，则重来
advanceTail(t, s); // 当新的节点成功追加到 tail 节点的 next 上了， 就尝试将 tail.next 节点覆盖 tail 节点,称之为推进。就是将新插入的节点设置尾 tail。
// s == 新节点，“可能”是新的 tail；e 是实际数据。
Object x = awaitFulfill(s, e, timed, nanos);// 该方法作用就是，让当前线程等待。排除意外情况和超时的话，就是等待其他线程拿走数据并替换成 isData 不同的数据。
if (x == s) { // x == s 是什么意思呢？ 表明在 awaitFulfill 方法中，这个数据被取消了，tryCancel 方法就是将 item 覆盖了 QNode。说明这次操作失败了。
clean(t, s);// 操作失败则需要清理数据，并返回 null。
return null;
}
// 如果一切顺利，确实被其他线程唤醒了，其他线程也交换了数据。
// 这个判断：next != this，说明了什么？当这个 tail 节点的 next 不再指向自己，说明了
if (!s.isOffList()) { // not already unlinked
// 这一步是将 S 节点设置为 Head，并且将新 Head 的 next 指向自己，让 Head 和之前的 next 断开。
advanceHead(t, s); // unlink if head
// 当 x 不是 null，表明对方线程是存放数据的。
if (x != null) // and forget fields
// 这一步操作将自己的 item 设置成自己。
s.item = s;
// 将 S 节点的持有线程变成 null。
s.waiter = null;
}
// x 不是 null 表明，对方线程是生产者，返回他生产的数据；如果是 null，说明对方线程是消费者，那他自己就是生产者，返回自己的数据，表示成功。
return (x != null) ? (E)x : e;
}
// 2. 如果当前的操作类型和 tail 的操作不一样。称之为互补。
else { // complementary-mode
QNode m = h.next; // node to fulfill
// 如果下方这些判断没过，说明并发修改了，自旋重来。
if (t != tail || m == null || h != head)
continue; // inconsistent read
Object x = m.item;
// 如果 head 节点的 isData 和当前操作相同，
// 如果 操作不同，但 head 的 item 就是自身，也就是发生了取消操作，tryCancel 方法会做这件事情。
// 如果上面2个都不满足，尝试使用 CAS 将 e 覆盖 item。
if (isData == (x != null) || // m already fulfilled
x == m || // m cancelled
!m.casItem(x, e)) { // lost CAS
// CAS 失败了，Head 的操作类型和当前类型相同，item 被取消了，都会走这里。
// 将 h.next 覆盖 head。重来。
advanceHead(h, m); // dequeue and retry
continue;
}
// 这里也是将 h.next 覆盖 head。能够走到这里，说明，上面的 CAS 操作成功了，当前线程已经将 e 覆盖了 next 的 item 。
advanceHead(h, m); // successfully fulfilled
// 唤醒 next 的 线程。提醒他可以取出数据，或者“我”已经拿到数据了。
LockSupport.unpark(m.waiter);
// 如果 x 不是 null，表明这是一次消费数据的操作，反之，这是一次生产数据的操作。
return (x != null) ? (E)x : e;
}
}
总结一下：
- 如果队列是空的，或者持有相同的模式的节点，就尝试添加节点到队列中，并让当前线程等待。
- 如果队列不为空，并且持有相反的模式的节点，就尝试使用 CAS 交换数据，并返回。
用图来解释一下：
-
初始化时只有一个空的 node。
-
一个线程尝试 offer 或者 poll 数据，会插入新节点。
-
又有一个线程尝试 offer 或者 poll 数据并且与上一个操作的线程的模式相同。
-
这时队列中有两个真是数据并且线程都是 wait 的，因为没有人接收数据，此时再来一个线程，与上面两个线程进行相反模式的操作。
为什么某些情况下，比 LinkedBlockingQueue 性能高那？原因是没有使用锁，另外线程之间交换数据的方式也比较高效。
TransferStack
TransferStack 由三种不同的状态，REQUEST 表示消费数据的消费者，DATA 表示生产数据的生产者，FUFILLING 表示匹配另一个生产者或消费者。任何线程对 TransferStack 的操作都属于上面三个的一种，同时还包含一个 head 表示头节点。
static final class TransferStack<E> extends Transferer<E> {
/* Modes for SNodes, ORed together in node fields */
/** Node represents an unfulfilled consumer */
// 表示消费数据的消费者
static final int REQUEST = 0;
/** Node represents an unfulfilled producer */
// 表示生产数据的生产者
static final int DATA = 1;
/** Node is fulfilling another unfulfilled DATA or REQUEST */
// 表示匹配另一个生产者或消费者
static final int FULFILLING = 2;
/** The head (top) of the stack */
// 头结点
volatile SNode head;
}
tryMatch
boolean tryMatch(SNode s) {
if (match == null &&
UNSAFE.compareAndSwapObject(this, matchOffset, null, s)) { // 本结点的match域为null并且比较并替换match域成功
// 获取本节点的等待线程
Thread w = waiter;
if (w != null) { // 存在等待的线程 // waiters need at most one unpark
// 将本结点的等待线程重新置为null
waiter = null;
// unpark等待线程
LockSupport.unpark(w);
}
return true;
}
// 如果match不为null或者CAS设置失败，则比较match域是否等于s结点，若相等，则表示已经完成匹配，匹配成功
return match == s;
}
使用 CAS 尝试将本节点与 s 节点进行配对。如果匹配成功，则 unpark 当前节点。
transfer 函数
E transfer(E e, boolean timed, long nanos) {
SNode s = null; // constructed/reused as needed
// 根据e确定此次转移的模式（是put or take）
int mode = (e == null) ? REQUEST : DATA;
for (;;) { // 无限循环
// 保存头结点
SNode h = head;
if (h == null || h.mode == mode) { // 头结点为null或者头结点的模式与此次转移的模式相同 // empty or same-mode
if (timed && nanos <= 0) { // 设置了timed并且等待时间小于等于0，表示不能等待，需要立即操作 // can't wait
if (h != null && h.isCancelled()) // 头结点不为null并且头结点被取消
casHead(h, h.next); // 重新设置头结点（弹出之前的头结点） // pop cancelled node
else // 头结点为null或者头结点没有被取消
// 返回null
return null;
} else if (casHead(h, s = snode(s, e, h, mode))) { // 生成一个SNode结点；将原来的head头结点设置为该结点的next结点；将head头结点设置为该结点
// Spins/blocks until node s is matched by a fulfill operation.
// 空旋或者阻塞直到s结点被FulFill操作所匹配
SNode m = awaitFulfill(s, timed, nanos);
if (m == s) { // 匹配的结点为s结点（s结点被取消） // wait was cancelled
// 清理s结点
clean(s);
// 返回
return null;
}
if ((h = head) != null && h.next == s) // h重新赋值为head头结点，并且不为null；头结点的next域为s结点，表示有结点插入到s结点之前，完成了匹配
// 比较并替换head域（移除插入在s之前的结点和s结点）
casHead(h, s.next); // help s's fulfiller
// 根据此次转移的类型返回元素
return (E) ((mode == REQUEST) ? m.item : s.item);
}
} else if (!isFulfilling(h.mode)) { // 没有FULFILLING标记，尝试匹配 // try to fulfill
if (h.isCancelled()) // 被取消 // already cancelled
// 比较并替换head域（弹出头结点）
casHead(h, h.next); // pop and retry
else if (casHead(h, s=snode(s, e, h, FULFILLING|mode))) { // 生成一个SNode结点；将原来的head头结点设置为该结点的next结点；将head头结点设置为该结点
for (;;) { // 无限循环 // loop until matched or waiters disappear
// 保存s的next结点
SNode m = s.next; // m is s's match
if (m == null) { // next域为null // all waiters are gone
// 比较并替换head域
casHead(s, null); // pop fulfill node
// 赋值s为null
s = null; // use new node next time
break; // restart main loop
}
// m结点的next域
SNode mn = m.next;
if (m.tryMatch(s)) { // 尝试匹配，并且成功
// 比较并替换head域（弹出s结点和m结点）
casHead(s, mn); // pop both s and m
// 根据此次转移的类型返回元素
return (E) ((mode == REQUEST) ? m.item : s.item);
} else // 匹配不成功 // lost match
// 比较并替换next域（弹出m结点）
s.casNext(m, mn); // help unlink
}
}
} else { // 头结点正在匹配 // help a fulfiller
// 保存头结点的next域
SNode m = h.next; // m与h可以匹配 // m is h's match
if (m == null) // next域为null // waiter is gone
// 比较并替换head域（m被其他结点匹配了，需要弹出h）
casHead(h, null); // pop fulfilling node
else { // next域不为null
// 获取m结点的next域
SNode mn = m.next;
if (m.tryMatch(h)) // m与h匹配成功 // help match
// 比较并替换head域（弹出h和m结点）
casHead(h, mn); // pop both h and m
else // 匹配不成功 // lost match
// 比较并替换next域（移除m结点）
h.casNext(m, mn); // help unlink
}
}
}
}
- 获取当前 transfer 的模式，是 put 还是 take。
- 通过 for 无限循环进行自旋。
- 判断头节点是否为空或者头节点和操作模式和当前节点一样
- 头节点不在 FUFILLING 状态
- 头节点正在 FUFILLING。
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