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面試官：呦，小伙子來的挺早啊!

Hydra：那是，不能讓您等太久了啊(別廢話了快開始吧，還趕著去下一場呢)。

面試官：前面兩輪表現(xiàn)還不錯，那我們今天繼續(xù)說說隊列中的SynchronousQueue吧。

Hydra：好的，SynchronousQueue和之前介紹過的隊列相比，稍微有一些特別，必須等到隊列中的元素被消費后，才能繼續(xù)向其中添加新的元素，因此它也被稱為無緩沖的等待隊列。

我還是先寫一個例子吧，創(chuàng)建兩個線程，生產(chǎn)者線程putThread向SynchronousQueue中放入元素，消費者線程takeThread從中取走元素：

SynchronousQueue<Integer> queue=new SynchronousQueue<>(true); 
 
Thread putThread=new Thread(()->{ 
    for (int i = 0; i <= 2; i++) { 
        try { 
            System.out.println("put thread put:"+i); 
            queue.put(i); 
            System.out.println("put thread put:"+i+" awake"); 
        } catch (InterruptedException e) { 
            e.printStackTrace(); 
        } 
    } 
}); 
Thread takeThread=new Thread(()->{ 
    int j=0; 
    while(j<2){ 
        try { 
            j=queue.take(); 
            System.out.println("take from putThread:"+j); 
        } catch (InterruptedException e) { 
            e.printStackTrace(); 
        } 
    } 
}); 
 
putThread.start(); 
Thread.sleep(1000); 
takeThread.start(); 

執(zhí)行上面的代碼，查看結(jié)果：

put thread put:0 
take from putThread:0 
put thread put:0 awake 
put thread put:1 
take from putThread:1 
put thread put:1 awake 
put thread put:2 
take from putThread:2 
put thread put:2 awake 

可以看到，生產(chǎn)者線程在執(zhí)行put方法后就被阻塞，直到消費者線程執(zhí)行take方法對隊列中的元素進(jìn)行了消費，生產(chǎn)者線程才被喚醒，繼續(xù)向下執(zhí)行。簡單來說運行流程是這樣的：

面試官：就這?應(yīng)用誰不會啊，不講講底層原理就想蒙混過關(guān)?

Hydra：別急啊，我們先從它的構(gòu)造函數(shù)說起，根據(jù)參數(shù)不同，SynchronousQueue分為公平模式和非公平模式，默認(rèn)情況下為非公平模式

public SynchronousQueue(boolean fair) { 
    transferer = fair ? new TransferQueue<E>() : new TransferStack<E>(); 
} 

我們先來看看公平模式吧，該模式下底層使用的是TransferQueue隊列，內(nèi)部節(jié)點由QNode構(gòu)成，定義如下：

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; 
QNode(Object item, boolean isData) { 
    this.item = item; 
    this.isData = isData; 
} 

item用來存儲數(shù)據(jù)，isData用來區(qū)分節(jié)點是什么類型的線程產(chǎn)生的，true表示是生產(chǎn)者，false表示是消費者，是后面用來進(jìn)行節(jié)點匹配(complementary )的關(guān)鍵。在SynchronousQueue中匹配是一個非常重要的概念，例如一個線程先執(zhí)行put產(chǎn)生了一個節(jié)點放入隊列，另一個線程再執(zhí)行take產(chǎn)生了一個節(jié)點，這兩個不同類型的節(jié)點就可以匹配成功。

面試官：可是我看很多資料里說SynchronousQueue是一個不存儲元素的阻塞隊列，這點你是怎么理解的?

Hydra：通過上面節(jié)點中封裝的屬性，可以看出SynchronousQueue的隊列中封裝的節(jié)點更多針對的不是數(shù)據(jù)，而是要執(zhí)行的操作，個人猜測這個說法的出發(fā)點就是隊列中存儲的節(jié)點更多偏向于操作這一屬性。

面試官：好吧，接著往下說隊列的結(jié)構(gòu)吧。

Hydra：TransferQueue中主要定義的屬性有下面這些：

transient volatile QNode head; 
transient volatile QNode tail; 
transient volatile QNode cleanMe; 
TransferQueue() { 
    QNode h = new QNode(null, false); // initialize to dummy node. 
    head = h; 
    tail = h; 
} 

比較重要的有頭節(jié)點head、尾節(jié)點tail、以及用于標(biāo)記下一個要刪除的節(jié)點的cleanMe節(jié)點。在構(gòu)造函數(shù)初始化中創(chuàng)建了一個節(jié)點，注釋中將它稱為dummy node，也就是偽造的節(jié)點，它的作用類似于AQS中的頭節(jié)點的作用，實際操作的節(jié)點是它的下一個節(jié)點。

要說SynchronousQueue，真是一個神奇的隊列，不管你調(diào)用的是put和offer，還是take和poll，它都一概交給核心的transfer方法去處理，只不過參數(shù)不同。今天我們拋棄源碼，通過畫圖對它進(jìn)行分析，首先看一下方法的定義：

E transfer(E e, boolean timed, long nanos); 

面試官：呦呵，就一個方法?我倒要看看它是怎么區(qū)分實現(xiàn)的入隊和出隊操作…

Hydra：在方法的參數(shù)中，timed和nanos用于標(biāo)識調(diào)用transfer的方法是否是能夠超時退出的，而e是否為空則可以說明是生產(chǎn)者還是消費者調(diào)用的此方法。如果e不為null，是生產(chǎn)者調(diào)用，如果e為null則是消費者調(diào)用。方法的整體邏輯可以分為下面幾步：

1、若隊列為空，或隊列中的尾節(jié)點類型和自己的類型相同，那么準(zhǔn)備封裝一個新的QNode添加到隊列中。在添加新節(jié)點到隊尾的過程中，并沒有使用synchronized或ReentrantLock，而是通過CAS來保證線程之間的同步。

在添加新的QNode到隊尾前，會首先判斷之前取到的尾節(jié)點是否發(fā)生過改變，如果有改變的話那么放棄修改，進(jìn)行自旋，在下一次循環(huán)中再次判斷。當(dāng)檢查隊尾節(jié)點沒有發(fā)生改變后，構(gòu)建新的節(jié)點QNode，并將它添加到隊尾。

2、當(dāng)新節(jié)點被添加到隊尾后，會調(diào)用awaitFulfill方法，會根據(jù)傳遞的參數(shù)讓線程進(jìn)行自旋或直接掛起。方法的定義如下，參數(shù)中的timed為true時，表示這是一個有等待超時的方法。

Object awaitFulfill(QNode s, E e, boolean timed, long nanos); 

在awaitFulfill方法中會進(jìn)行判斷，如果新節(jié)點是head節(jié)點的下一個節(jié)點，考慮到可能很快它就會完成匹配后出隊，先不將它掛起，進(jìn)行一定次數(shù)的自旋，超過自旋次數(shù)的上限后再進(jìn)行掛起。如果不是head節(jié)點的下一個節(jié)點，避免自旋造成的資源浪費，則直接調(diào)用park或parkNanos掛起線程。

3、當(dāng)掛起的線程被中斷或到達(dá)超時時間，那么需要將節(jié)點從隊列中進(jìn)行移除，這時會執(zhí)行clean()方法。如果要被刪除的節(jié)點不是鏈表中的尾節(jié)點，那么比較簡單，直接使用CAS替換前一個節(jié)點的next指針。

如果要刪除的節(jié)點是鏈表中的尾節(jié)點，就會有點復(fù)雜了，因為多線程環(huán)境下可能正好有其他線程正在向尾節(jié)點后添加新的節(jié)點，這時如果直接刪除尾節(jié)點的話，會造成后面節(jié)點的丟失。

這時候就會用到TransferQueue中定義的cleanMe標(biāo)記節(jié)點了，cleanMe的作用就是當(dāng)要被移除的節(jié)點是隊尾節(jié)點時，用它來標(biāo)記隊尾節(jié)點的前驅(qū)節(jié)點。具體在執(zhí)行過程中，又會分為兩種情況：

• cleanMe節(jié)點為null，說明隊列在之前沒有標(biāo)記需要刪除的節(jié)點。這時會使用cleanMe來標(biāo)識該節(jié)點的前驅(qū)節(jié)點，標(biāo)記完成后退出clean方法，當(dāng)下一次執(zhí)行clean方法時才會刪除cleanMe的下一個節(jié)點。

• cleanMe節(jié)點不為null，那么說明之前已經(jīng)標(biāo)記過需要刪除的節(jié)點。這時刪除cleanMe的下一個節(jié)點，并清除當(dāng)前cleanMe標(biāo)記，并再將當(dāng)前節(jié)點未修改前的前驅(qū)節(jié)點標(biāo)記為cleanMe。注意，當(dāng)前要被刪除的節(jié)點的前驅(qū)節(jié)點不會發(fā)生改變，即使這個前驅(qū)節(jié)點已經(jīng)在邏輯上從隊列中刪除掉了。

執(zhí)行完成clean方法后，transfer方法會直接返回null，說明入隊操作失敗。

面試官：講了這么多，入隊的還都是一個類型的節(jié)點吧?

Hydra：是的，TransferQueue隊列中，只會存在一個類型的節(jié)點，如果有另一個類型的節(jié)點過來，那么就會執(zhí)行出隊的操作了。

面試官：好吧，那你接著再說說出隊方法吧。

Hydra：相對入隊來說，出隊的邏輯就比較簡單了。因為現(xiàn)在使用的是公平模式，所以當(dāng)隊列不為空，且隊列的head節(jié)點的下一個節(jié)點與當(dāng)前節(jié)點匹配成功時，進(jìn)行出隊操作，喚醒head節(jié)點的下一個節(jié)點，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞。

根據(jù)隊列中節(jié)點類型的不同，可以分為兩種情況進(jìn)行分析：

1、如果head節(jié)點的下一個節(jié)點是put類型，當(dāng)前新節(jié)點是take類型。take線程取出put節(jié)點的item的值，并將其item變?yōu)閚ull，然后推進(jìn)頭節(jié)點，喚醒被掛起的put線程，take線程返回item的值，完成數(shù)據(jù)的傳遞過程。

head節(jié)點的下一個節(jié)點被喚醒后，會推進(jìn)head節(jié)點，雖然前面說過隊列的head節(jié)點是一個dummy節(jié)點，并不存儲數(shù)據(jù)，理論上應(yīng)該將第二個節(jié)點直接移出隊列，但是源碼中還是將head節(jié)點出隊，將原來的第二個節(jié)點變成了新的head節(jié)點。

2、同理，如果head節(jié)點的下一個節(jié)點是take類型，當(dāng)前新節(jié)點是put類型。put線程會將take節(jié)點的item設(shè)為自己的數(shù)據(jù)值，然后推進(jìn)頭節(jié)點，并喚醒掛起的take線程，喚醒的take線程最終返回從put線程獲得的item的值。

此外，在take線程喚醒后，會將自己QNode的item指針指向自己，并將waiter中保存的線程置為null，方便之后被gc回收。

面試官：也就是說，在代碼中不一定非要生產(chǎn)者先去生產(chǎn)產(chǎn)品，也可以由消費者先到達(dá)后進(jìn)行阻塞等待?

Hydra：是的，兩種線程都可以先進(jìn)入隊列。

面試官：好了，公平模式下我是明白了，我去喝口水，給你十分鐘時間，回來我們聊聊非公平模式的實現(xiàn)吧。

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