面试官：啥？SynchronousQueue是钟？点？房？-51CTO.COM

今天这篇文章，我们继续讲架构师大刘的故事。

大刘有段时间经常会给一些程序员讲课。这一方面是由于团队培训的需要，一方面也是大刘自身想搞搞凡尔赛，嘚瑟一下自身的实力。

大刘讲课是允许公司任何一个人进去听的。提前一个星期把主题公布在公司群里，有人想听到日子直接去就是了。

有一次，大刘在聊并发话题的时候，为了彰显自己确实是个并发达人，用了个 SynchronousQueue 举例子。他说这个队列其实没有容积的概念，就是线程持有数据互相匹配。

嗯，谈到这里还是要说一下，大刘其实也不太懂 SynchronousQueue。只是一来这东西没人用，自然就没人懂;二来它的概念也比较晦涩，有些时候比较违背直觉，所以，即使随口说的一些话可能不太对，也未必会被发现，还能给人一种不明觉厉的感觉。

大刘用过几次，感觉良好。因此没事儿就要秀一下 SynchronousQueue，表示自己这么生僻的也懂，并发达人的名头是没有叫错的。

也就那一次，恰恰被人拆了台。

当时课上来了个新入职的技术，此人长得中等身材，相貌平平，只是脸却长的像种地多年的老农的巴掌。脸上的疙瘩如同老农巴掌上的老茧。这人姓张，这里由于他脸长得像个大巴掌，那就暂且叫他巴掌张。

这个巴掌张打断了大刘的话，言之凿凿说大刘说的是错的，说他看过这个 SynchronousQueue，并不是大刘说的这样。

大刘有点心虚，脖子渗出了一圈汗，但是并发达人的称呼大刘并不想丢掉。于是说了一大堆云里雾里的废话，把话题带偏了开去。并告诉巴掌张，下回要和他在这个舞台上 PK 一二，要好好看看谁是真正的 SynchronousQueue 的知心朋友。

由于大刘感觉被巴掌张的巴掌糊了脸，便就此下了决心要研究透 SynchronousQueue。

Google 和百度一起查，东西合璧，洋为中用，搞了好是一阵子。最后有个犄角旮旯的小破网站，有人说了这么一句话：

SynchronousQueue 的目的就是为了接头，为了匹配，当接上头了就双方合作愉快，整个工作完成。但是一旦在接头中，任何一方还没到达，那么另一方就必须阻塞着等待。

这句话一下子就敲开了大刘的脑壳，让聪明的智商重新占领了高地。

为啥这句话就点亮了大刘那本来已经像灯泡的脑袋了呢?因为大刘想起了他每次的面试经历，就和这个接头是一样的。

大刘每次去面试，都很规矩的提前赶到新公司。但是大部分情况，时间到了之后都需要等很长时间才开始面试。大刘那时候也年轻，只是以为领导忙，所以倒也恭恭敬敬的等着。

直到大刘自己当了领导，去面试别人的时候，被 HR 委婉的提醒了下，要让候选人等一会儿再过去，显的公司业务很忙，让候选人对公司保持一定的敬畏。那时候，大刘才知道这是一种 PUA 术……

大刘对照着自己的面试经历，一下就理解了 SynchronousQueue 的概念。

SynchronousQueue 本身是为了交接、匹配而存在的。当一个线程往 SynchronousQueue 放东西，发现没线程在等着拿，就给阻塞掉——这就像面试者来早了等面试官。

当一个线程去 SynchronousQueue 拿东西，发现没东西，就去等的时候——就像面试官来早了等面试者。

搞懂 SynchronousQueue 的时候，正是一个冬天，屋外面的寒风在虎虎生威，屋里面的大刘在熠熠生辉。

只是一个堂而皇之摆在 JDK 底层并发包中的队列结构，SynchronousQueue 当然没那么简单，里面还存在着亿点点细节。

所以，大刘在整体方向搞懂之后，开始研究起了细节。他要奋发，狠狠把巴掌张的嚣张气焰压下去，大刘要当公司技术的头牌。

回到现实里，SynchronousQueue 真正的目的就是为了让两个线程的工作结果进行交接。这没什么问题。但是，在这个交接中是需要严格保密的，没有人可以窥视。

嗯，没错，就和你约了女朋友去钟点房那样的不能被窥视。

好，围绕这个 SynchronousQueue 的钟点房，咱们通过源代码，来看这亿点点细节。

首先，钟点房严格保密，里面是多少人，就不能让人知道。所以，就不能让别人通过方法得到具体的数据。对于 SynchronousQueue 来说，自然就是通过 size() 你得不到什么信息。

/** 
* Always returns zero. 
* A {@code SynchronousQueue} has no internal capacity. 
* 
* @return zero 
*/ 
public int size() { 
  return 0; 
} 
 
/** 
* Always returns {@code true}. 
* A {@code SynchronousQueue} has no internal capacity. 
* 
* @return {@code true} 
*/ 
public boolean isEmpty() { 
  return true; 
}

其次，钟点房也不能随便进去查房，看看都是谁。所以，自然就不能迭代。

/** 
* Returns an empty iterator in which {@code hasNext} always returns 
* {@code false}. 
* 
* @return an empty iterator 
*/ 
public Iterator<E> iterator() { 
  return Collections.emptyIterator(); 
}

再次，钟点房保护隐私，它也不能让你钻了漏子，不告诉你 XXX 是不是躲在了钟点房里。所以，你也不能知道钟点房里有没有这个人。

/** 
* Always returns {@code false}. 
* A {@code SynchronousQueue} has no internal capacity. 
* 
* @param o the element 
* @return {@code false} 
*/ 
public boolean contains(Object o) { 
  return false; 
} 
 
/** 
* Returns {@code false} unless the given collection is empty. 
* A {@code SynchronousQueue} has no internal capacity. 
* 
* @param c the collection 
* @return {@code false} unless given collection is empty 
*/ 
public boolean containsAll(Collection<?> c) { 
  return c.isEmpty(); 
}

自然，钟点房也没什么权力赶人出去。

/** 
* Always returns {@code false}. 
* A {@code SynchronousQueue} has no internal capacity. 
* 
* @param o the element to remove 
* @return {@code false} 
*/ 
public boolean remove(Object o) { 
  return false; 
}

当然，作为一个商业化的钟点房，SynchronousQueue 还是很注意安全的，它贴心的提供了紧急转移的手段。

/** 
* @throws UnsupportedOperationException {@inheritDoc} 
* @throws ClassCastException            {@inheritDoc} 
* @throws NullPointerException          {@inheritDoc} 
* @throws IllegalArgumentException      {@inheritDoc} 
*/ 
public int drainTo(Collection<? super E> c) { 
  if (c == null) 
    throw new NullPointerException(); 
  if (c == this) 
    throw new IllegalArgumentException(); 
   
  int n = 0; 
    for (E e; (e = poll()) != null;) { 
      c.add(e); 
      ++n; 
    } 
  return n; 
} 
 
/**  
* @throws UnsupportedOperationException {@inheritDoc} 
* @throws ClassCastException            {@inheritDoc} 
* @throws NullPointerException          {@inheritDoc} 
* @throws IllegalArgumentException      {@inheritDoc} 
*/ 
public int drainTo(Collection<? super E> c, int maxElements) { 
  if (c == null) 
    throw new NullPointerException(); 
  if (c == this) 
    throw new IllegalArgumentException(); 
   
  int n = 0; 
    for (E e; n < maxElements && (e = poll()) != null;) { 
      c.add(e); 
      ++n; 
    } 
  return n; 
}

最后，钟点房就只能搞搞交接工作了。交接吗，自然是有交有接的，交的就得带东西。

public void put(E e) throws InterruptedException { 
  if (e == null) throw new NullPointerException(); 
  // put:带着东西进屋子 
  if (transferer.transfer(e, false, 0) == null) { 
    Thread.interrupted(); 
    throw new InterruptedException(); 
  } 
}

接的肯定不会带着东西，得留地方拿东西。

public E take() throws InterruptedException { 
  // take:从屋子里把东西拿出来 
  E e = transferer.transfer(null, false, 0); 
  if (e != null) 
    return e; 
  Thread.interrupted(); 
  throw new InterruptedException(); 
}

但是呢，这交接工作啊，得在专人安排下进行。

为什么需要专人来帮忙?因为有时候我们的钟点房太受欢迎了，客人多，得排队管管。管这些排队的就是 Transfer，它是钟点房的经理。

/** 
* The transferer. Set only in constructor, but cannot be declared 
* as final without further complicating serialization.  Since 
* this is accessed only at most once per public method, there 
* isn't a noticeable performance penalty for using volatile 
* instead of final here. 
*/ 
private transient volatile Transferer<E> transferer; 
 
/** 
* Shared internal API for dual stacks and queues. 
*/ 
abstract static class Transferer<E> { 
  /** 
  * 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 E transfer(E e, boolean timed, long nanos); 
}

Transfer 经理每次开门营业的时候，会收到总部给的牌子，告诉他管理工作要注意方式方法，比如公平有效，比如优先服务 VIP 客人之类的。

/** 
* 默认给vip客人开点后门 
*/ 
public SynchronousQueue() { 
  this(false); 
} 
 
/** 
* 总部递牌子，告诉Transfer到底是公平还是不公平, 
*/ 
public SynchronousQueue(boolean fair) { 
  transferer = fair ? new TransferQueue<E>() : new TransferStack<E>(); 
}

先看看适合劳苦大众的公平模式，先来先享受，晚来没折扣。

static final class TransferQueue<E> extends Transferer<E> { 
  static final class QNode{...} 
  transient volatile QNode head;     
  transient volatile QNode tail; 
  transient volatile QNode cleanMe; 
  TransferQueue() { 
 //经典的链表套路，先搞个虚拟的头结点 
    QNode h = new QNode(null, false);  
    head = h; 
    tail = h; 
  } 
  …… 
  ……

QNode 就是 Transfer 经理需要的牌子，上面记录点信息，别到时候弄错了。

static final class QNode { 
  volatile QNode next; // 下一个排队的哥们儿 
  volatile Object item; // 这次哥们带来的要交接的东西 
  volatile Thread waiter; // 交接的线程 
  final boolean isData; // isData == true表示带着东西 
 
  QNode(Object item, boolean isData) { 
    this.item = item; 
    this.isData = isData; 
  } 
  
  // ...省略一系列CAS方法 
}

怎么搞，秘密都在 transfer() 里。

@SuppressWarnings("unchecked") 
  E transfer(E e, boolean timed, long nanos) { 
  //...先省略细节         
}

transfer 本质就是一直在等待交接完成或者交接被中断，被取消，或者等待超时。

for (;;) { 
  QNode t = tail; 
  QNode h = head; 
 //因为初始化是在构造函数里搞得，可能构造函数没有执行完，就被用上了，就会出现t或者h为null的情况 
  if (t == null || h == null)          
    continue; //啥也不能做 
     
 //h==t表示没人，t.isData == isData表示过来的哥们和前面的哥们目的一样，那就只能考虑排队等着了。 
  if (h == t || t.isData == isData) {  
    QNode tn = t.next; 
    //线程不安全需要考虑的，现在的尾巴不对，指错了，重新确认下 
  if (t != tail)                   
      continue; 
       
  //队尾确定了，发现又来了人，把尾巴指向新来的人 
    if (tn != null) {              
      advanceTail(t, tn); 
      continue; 
    } 
   
    //超时了，别等了 
    if (timed && nanos <= 0) 
      return null; 
       
  //总算没事儿了，哥们可以登记进屋了 
    if (s == null) 
      s = new QNode(e, isData); 
       
  //中间可能有人插队，只能再等等 
    if (!t.casNext(null, s))         
      continue; 
     
  //准备进屋等着约的人 
    advanceTail(t, s);               
    Object x = awaitFulfill(s, e, timed, nanos); 
     
  //同一个人出来，那就是任务失败了 
    if (x == s) { 
      //清理下                    
      clean(t, s); 
      return null; 
    } 
     
    if (!s.isOffList()) { //还没脱队 
      advanceHead(t, s); //排前面单独处理 
      if (x != null) //交接成功设一下标记 
        s.item = s; 
        s.waiter = null; 
    } 
     
    return (x != null) ? (E)x : e;

这段是不是看着很头痛?其实 Transfer 这小子也头痛。

它首先要面临的第一个问题：资源竞争的问题。

客人源源不断的来，由于 Transfer 强迫症，他想每次必须从绝对的队头或者队尾巴开始，所以，每次都要判断下，到底他看到的队头或者队尾，是不是真正的队头、队尾。

确定没问题了，新来的客人就开始被打造成真正的队尾。

然后，成为队尾的哥们就可以等着属于自己的 Mr.Right 过来交接了。等着交接一直到成功或者失败的方法就是 awaitFulfill(t, tn)。

这边有人在等待，同时另外一边，交接的人们也开始陆续过来了。

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)) { // 交接的核心语句 
        advanceHead(h, m); // dequeue and retry 
        continue; 
      } 
 
  advanceHead(h, m); // successfully fulfilled 
  LockSupport.unpark(m.waiter); 
  return (x != null) ? (E)x : e; 
}