java集合之LinkedTransferQueue源码分析

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## 问题 (1)LinkedTransferQueue是什么东东? (2)LinkedTransferQueue是怎么实现阻塞队列的? (3)LinkedTransferQueue是怎么控制并发安全的? (4)LinkedTransferQueue与SynchronousQueue有什么异同? ## 简介 LinkedTransferQueue是LinkedBlockingQueue、SynchronousQueue(公平模式)、ConcurrentLinkedQueue三者的集合体,它综合了这三者的方法,并且提供了更加高效的实现方式。 ## 继承体系 ![LinkedTransferQueue](https://gitee.com/alan-tang-tt/yuan/raw/master/死磕%20java集合系列/resource/LinkedTransferQueue.png) LinkedTransferQueue实现了TransferQueue接口,而TransferQueue接口是继承自BlockingQueue的,所以LinkedTransferQueue也是一个阻塞队列。 TransferQueue接口中定义了以下几个方法: ```java // 尝试移交元素 boolean tryTransfer(E e); // 移交元素 void transfer(E e) throws InterruptedException; // 尝试移交元素(有超时时间) boolean tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException; // 判断是否有消费者 boolean hasWaitingConsumer(); // 查看消费者的数量 int getWaitingConsumerCount(); ``` 主要是定义了三个移交元素的方法,有阻塞的,有不阻塞的,有超时的。 ## 存储结构 LinkedTransferQueue使用了一个叫做`dual data structure`的数据结构,或者叫做`dual queue`,译为双重数据结构或者双重队列。 双重队列是什么意思呢? 放取元素使用同一个队列,队列中的节点具有两种模式,一种是数据节点,一种是非数据节点。 放元素时先跟队列头节点对比,如果头节点是非数据节点,就让他们匹配,如果头节点是数据节点,就生成一个数据节点放在队列尾端(入队)。 取元素时也是先跟队列头节点对比,如果头节点是数据节点,就让他们匹配,如果头节点是非数据节点,就生成一个非数据节点放在队列尾端(入队)。 用图形来表示就是下面这样: ![Dual Queue](https://gitee.com/alan-tang-tt/yuan/raw/master/死磕%20java集合系列/resource/dual-queue.png) 不管是放元素还是取元素,都先跟头节点对比,如果二者模式不一样就匹配它们,如果二者模式一样,就入队。 ## 源码分析 ### 主要属性 ```java // 头节点 transient volatile Node head; // 尾节点 private transient volatile Node tail; // 放取元素的几种方式: // 立即返回,用于非超时的poll()和tryTransfer()方法中 private static final int NOW = 0; // for untimed poll, tryTransfer // 异步,不会阻塞,用于放元素时,因为内部使用无界单链表存储元素,不会阻塞放元素的过程 private static final int ASYNC = 1; // for offer, put, add // 同步,调用的时候如果没有匹配到会阻塞直到匹配到为止 private static final int SYNC = 2; // for transfer, take // 超时,用于有超时的poll()和tryTransfer()方法中 private static final int TIMED = 3; // for timed poll, tryTransfer ``` ### 主要内部类 ```java static final class Node { // 是否是数据节点(也就标识了是生产者还是消费者) final boolean isData; // false if this is a request node // 元素的值 volatile Object item; // initially non-null if isData; CASed to match // 下一个节点 volatile Node next; // 持有元素的线程 volatile Thread waiter; // null until waiting } ``` 典型的单链表结构,内部除了存储元素的值和下一个节点的指针外,还包含了是否为数据节点和持有元素的线程。 内部通过isData区分是生产者还是消费者。 ### 主要构造方法 ```java public LinkedTransferQueue() { } public LinkedTransferQueue(Collection<? extends E> c) { this(); addAll(c); } ``` 只有这两个构造方法,且没有初始容量,所以是无界的一个阻塞队列。 ### 入队 四个方法都是一样的,使用异步的方式调用xfer()方法,传入的参数都一模一样。 ```java public void put(E e) { // 异步模式,不会阻塞,不会超时 // 因为是放元素,单链表存储,会一直往后加 xfer(e, true, ASYNC, 0); } public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) { xfer(e, true, ASYNC, 0); return true; } public boolean offer(E e) { xfer(e, true, ASYNC, 0); return true; } public boolean add(E e) { xfer(e, true, ASYNC, 0); return true; } ``` xfer(E e, boolean haveData, int how, long nanos)的参数分别是: (1)e表示元素; (2)haveData表示是否是数据节点, (3)how表示放取元素的方式,上面提到的四种,NOW、ASYNC、SYNC、TIMED; (4)nanos表示超时时间; ### 出队 出队的四个方法也是直接或间接的调用xfer()方法,放取元素的方式和超时规则略微不同,本质没有大的区别。 ```java public E remove() { E x = poll(); if (x != null) return x; else throw new NoSuchElementException(); } public E take() throws InterruptedException { // 同步模式,会阻塞直到取到元素 E e = xfer(null, false, SYNC, 0); if (e != null) return e; Thread.interrupted(); throw new InterruptedException(); } public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { // 有超时时间 E e = xfer(null, false, TIMED, unit.toNanos(timeout)); if (e != null || !Thread.interrupted()) return e; throw new InterruptedException(); } public E poll() { // 立即返回,没取到元素返回null return xfer(null, false, NOW, 0); } ``` 取元素就各有各的玩法了,有同步的,有超时的,有立即返回的。 ### 移交元素的方法 ```java public boolean tryTransfer(E e) { // 立即返回 return xfer(e, true, NOW, 0) == null; } public void transfer(E e) throws InterruptedException { // 同步模式 if (xfer(e, true, SYNC, 0) != null) { Thread.interrupted(); // failure possible only due to interrupt throw new InterruptedException(); } } public boolean tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { // 有超时时间 if (xfer(e, true, TIMED, unit.toNanos(timeout)) == null) return true; if (!Thread.interrupted()) return false; throw new InterruptedException(); } ``` 请注意第二个参数,都是true,也就是这三个方法其实也是放元素的方法。 这里xfer()方法的几种模式到底有什么区别呢?请看下面的分析。 ## 神奇的xfer()方法 ```java private E xfer(E e, boolean haveData, int how, long nanos) { // 不允许放入空元素 if (haveData && (e == null)) throw new NullPointerException(); Node s = null; // the node to append, if needed // 外层循环,自旋,失败就重试 retry: for (;;) { // restart on append race // 下面这个for循环用于控制匹配的过程 // 同一时刻队列中只会存储一种类型的节点 // 从头节点开始尝试匹配,如果头节点被其它线程先一步匹配了 // 就再尝试其下一个,直到匹配到为止,或者到队列中没有元素为止 for (Node h = head, p = h; p != null;) { // find & match first node // p节点的模式 boolean isData = p.isData; // p节点的值 Object item = p.item; // p没有被匹配到 if (item != p && (item != null) == isData) { // unmatched // 如果两者模式一样,则不能匹配,跳出循环后尝试入队 if (isData == haveData) // can't match break; // 如果两者模式不一样,则尝试匹配 // 把p的值设置为e(如果是取元素则e是null,如果是放元素则e是元素值) if (p.casItem(item, e)) { // match // 匹配成功 // for里面的逻辑比较复杂,用于控制多线程同时放取元素时出现竞争的情况的 // 看不懂可以直接跳过 for (Node q = p; q != h;) { // 进入到这里可能是头节点已经被匹配,然后p会变成h的下一个节点 Node n = q.next; // update by 2 unless singleton // 如果head还没变,就把它更新成新的节点 // 并把它删除(forgetNext()会把它的next设为自己,也就是从单链表中删除了) // 这时为什么要把head设为n呢?因为到这里了,肯定head本身已经被匹配掉了 // 而上面的p.casItem()又成功了,说明p也被当前这个元素给匹配掉了 // 所以需要把它们俩都出队列,让其它线程可以从真正的头开始,不用重复检查了 if (head == h && casHead(h, n == null ? q : n)) { h.forgetNext(); break; } // advance and retry // 如果新的头节点为空,或者其next为空,或者其next未匹配,就重试 if ((h = head) == null || (q = h.next) == null || !q.isMatched()) break; // unless slack < 2 } // 唤醒p中等待的线程 LockSupport.unpark(p.waiter); // 并返回匹配到的元素 return LinkedTransferQueue.<E>cast(item); } } // p已经被匹配了或者尝试匹配的时候失败了 // 也就是其它线程先一步匹配了p // 这时候又分两种情况,p的next还没来得及修改,p的next指向了自己 // 如果p的next已经指向了自己,就重新取head重试,否则就取其next重试 Node n = p.next; p = (p != n) ? n : (h = head); // Use head if p offlist } // 到这里肯定是队列中存储的节点类型和自己一样 // 或者队列中没有元素了 // 就入队(不管放元素还是取元素都得入队) // 入队又分成四种情况: // NOW,立即返回,没有匹配到立即返回,不做入队操作 // ASYNC,异步,元素入队但当前线程不会阻塞(相当于无界LinkedBlockingQueue的元素入队) // SYNC,同步,元素入队后当前线程阻塞,等待被匹配到 // TIMED,有超时,元素入队后等待一段时间被匹配,时间到了还没匹配到就返回元素本身 // 如果不是立即返回 if (how != NOW) { // No matches available // 新建s节点 if (s == null) s = new Node(e, haveData); // 尝试入队 Node pred = tryAppend(s, haveData); // 入队失败,重试 if (pred == null) continue retry; // lost race vs opposite mode // 如果不是异步(同步或者有超时) // 就等待被匹配 if (how != ASYNC) return awaitMatch(s, pred, e, (how == TIMED), nanos); } return e; // not waiting } } private Node tryAppend(Node s, boolean haveData) { // 从tail开始遍历,把s放到链表尾端 for (Node t = tail, p = t;;) { // move p to last node and append Node n, u; // temps for reads of next & tail // 如果首尾都是null,说明链表中还没有元素 if (p == null && (p = head) == null) { // 就让首节点指向s // 注意,这里插入第一个元素的时候tail指针并没有指向s if (casHead(null, s)) return s; // initialize } else if (p.cannotPrecede(haveData)) // 如果p无法处理,则返回null // 这里无法处理的意思是,p和s节点的类型不一样,不允许s入队 // 比如,其它线程先入队了一个数据节点,这时候要入队一个非数据节点,就不允许, // 队列中所有的元素都要保证是同一种类型的节点 // 返回null后外面的方法会重新尝试匹配重新入队等 return null; // lost race vs opposite mode else if ((n = p.next) != null) // not last; keep traversing // 如果p的next不为空,说明不是最后一个节点 // 则让p重新指向最后一个节点 p = p != t && t != (u = tail) ? (t = u) : // stale tail (p != n) ? n : null; // restart if off list else if (!p.casNext(null, s)) // 如果CAS更新s为p的next失败 // 则说明有其它线程先一步更新到p的next了 // 就让p指向p的next,重新尝试让s入队 p = p.next; // re-read on CAS failure else { // 到这里说明s成功入队了 // 如果p不等于t,就更新tail指针 // 还记得上面插入第一个元素时tail指针并没有指向新元素吗? // 这里就是用来更新tail指针的 if (p != t) { // update if slack now >= 2 while ((tail != t || !casTail(t, s)) && (t = tail) != null && (s = t.next) != null && // advance and retry (s = s.next) != null && s != t); } // 返回p,即s的前一个元素 return p; } } } private E awaitMatch(Node s, Node pred, E e, boolean timed, long nanos) { // 如果是有超时的,计算其超时时间 final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L; // 当前线程 Thread w = Thread.currentThread(); // 自旋次数 int spins = -1; // initialized after first item and cancel checks // 随机数,随机让一些自旋的线程让出CPU ThreadLocalRandom randomYields = null; // bound if needed for (;;) { Object item = s.item; // 如果s元素的值不等于e,说明它被匹配到了 if (item != e) { // matched // assert item != s; // 把s的item更新为s本身 // 并把s中的waiter置为空 s.forgetContents(); // avoid garbage // 返回匹配到的元素 return LinkedTransferQueue.<E>cast(item); } // 如果当前线程中断了,或者有超时的到期了 // 就更新s的元素值指向s本身 if ((w.isInterrupted() || (timed && nanos <= 0)) && s.casItem(e, s)) { // cancel // 尝试解除s与其前一个节点的关系 // 也就是删除s节点 unsplice(pred, s); // 返回元素的值本身,说明没匹配到 return e; } // 如果自旋次数小于0,就计算自旋次数 if (spins < 0) { // establish spins at/near front // spinsFor()计算自旋次数 // 如果前面有节点未被匹配就返回0 // 如果前面有节点且正在匹配中就返回一定的次数,等待 if ((spins = spinsFor(pred, s.isData)) > 0) // 初始化随机数 randomYields = ThreadLocalRandom.current(); } else if (spins > 0) { // spin // 还有自旋次数就减1 --spins; // 并随机让出CPU if (randomYields.nextInt(CHAINED_SPINS) == 0) Thread.yield(); // occasionally yield } else if (s.waiter == null) { // 更新s的waiter为当前线程 s.waiter = w; // request unpark then recheck } else if (timed) { // 如果有超时,计算超时时间,并阻塞一定时间 nanos = deadline - System.nanoTime(); if (nanos > 0L) LockSupport.parkNanos(this, nanos); } else { // 不是超时的,直接阻塞,等待被唤醒 // 唤醒后进入下一次循环,走第一个if的逻辑就返回匹配的元素了 LockSupport.park(this); } } } ``` 这三个方法里的内容特别复杂,很大一部分代码都是在控制线程安全,各种CAS,我们这里简单描述一下大致的逻辑: (1)来了一个元素,我们先查看队列头的节点,是否与这个元素的模式一样; (2)如果模式不一样,就尝试让他们匹配,如果头节点被别的线程先匹配走了,就尝试与头节点的下一个节点匹配,如此一直往后,直到匹配到或到链表尾为止; (3)如果模式一样,或者到链表尾了,就尝试入队; (4)入队的时候有可能链表尾修改了,那就尾指针后移,再重新尝试入队,依此往复; (5)入队成功了,就自旋或阻塞,阻塞了就等待被其它线程匹配到并唤醒; (6)唤醒之后进入下一次循环就匹配到元素了,返回匹配到的元素; (7)是否需要入队及阻塞有四种情况: a)NOW,立即返回,没有匹配到立即返回,不做入队操作 对应的方法有:poll()、tryTransfer(e) b)ASYNC,异步,元素入队但当前线程不会阻塞(相当于无界LinkedBlockingQueue的元素入队) 对应的方法有:add(e)、offer(e)、put(e)、offer(e, timeout, unit) c)SYNC,同步,元素入队后当前线程阻塞,等待被匹配到 对应的方法有:take()、transfer(e) d)TIMED,有超时,元素入队后等待一段时间被匹配,时间到了还没匹配到就返回元素本身 对应的方法有:poll(timeout, unit)、tryTransfer(e, timeout, unit) ## 总结 (1)LinkedTransferQueue可以看作LinkedBlockingQueue、SynchronousQueue(公平模式)、ConcurrentLinkedQueue三者的集合体; (2)LinkedTransferQueue的实现方式是使用一种叫做`双重队列`的数据结构; (3)不管是取元素还是放元素都会入队; (4)先尝试跟头节点比较,如果二者模式不一样,就匹配它们,组成CP,然后返回对方的值; (5)如果二者模式一样,就入队,并自旋或阻塞等待被唤醒; (6)至于是否入队及阻塞有四种模式,NOW、ASYNC、SYNC、TIMED; (7)LinkedTransferQueue全程都没有使用synchronized、重入锁等比较重的锁,基本是通过 自旋+CAS 实现; (8)对于入队之后,先自旋一定次数后再调用LockSupport.park()或LockSupport.parkNanos阻塞; ## 彩蛋 LinkedTransferQueue与SynchronousQueue(公平模式)有什么异同呢? (1)在java8中两者的实现方式基本一致,都是使用的双重队列; (2)前者完全实现了后者,但比后者更灵活; (3)后者不管放元素还是取元素,如果没有可匹配的元素,所在的线程都会阻塞; (4)前者可以自己控制放元素是否需要阻塞线程,比如使用四个添加元素的方法就不会阻塞线程,只入队元素,使用transfer()会阻塞线程; (5)取元素两者基本一样,都会阻塞等待有新的元素进入被匹配到;
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