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面試侃集合|SynchronousQueue非公平模式篇

面試官：好了，你也休息了十分鐘了，咱們接著往下聊聊SynchronousQueue的非公平模式吧。

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Hydra：好的，有了前面公平模式的基礎(chǔ)，非公平模式理解起來就非常簡單了。公平模式下，SynchronousQueue底層使用的是TransferQueue，是一個先進先出的隊列，而非公平模式與它不同，底層采用了后進先出的TransferStack棧來實現(xiàn)。

下面我們還是先寫一個例子來看看效果，首先創(chuàng)建3個線程使用put方法向SynchronousQueue中插入數(shù)據(jù)，結(jié)束后再使用3個線程調(diào)用take方法：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. SynchronousQueue queue=new SynchronousQueue<>(false);
    2. 
  
  
  
  
  2. 
  
  
  
  
  3. @AllArgsConstructor
    4. 
  
  
  
  
  4. class PutThread implements Runnable{
    5. 
  
  
  
  
  5.     int i;
    6. 
  
  
  
  
  6.     @SneakyThrows
    7. 
  
  
  
  
  7.     @Override
    8. 
  
  
  
  
  8.     public void run() {
    9. 
  
  
  
  
  9.         queue.put(i);
    10. 
  
  
  
  
  10.         System.out.println("putThread "+i+" end");
    11. 
  
  
  
  
  11.     }
    12. 
  
  
  
  
  12. }
    13. 
  
  
  
  
  13. class TakeThread implements Runnable{
    14. 
  
  
  
  
  14.     @SneakyThrows
    15. 
  
  
  
  
  15.     @Override
    16. 
  
  
  
  
  16.     public void run() {
    17. 
  
  
  
  
  17.         System.out.println("takeThread take: "+queue.take());
    18. 
  
  
  
  
  18.     }
    19. 
  
  
  
  
  19. }
    20. 
  
  
  
  
  20. 
  
  
  
  
  21. for (int i = 1; i <=3; i++) {
    22. 
  
  
  
  
  22.     new Thread(new PutThread(i)).start();
    23. 
  
  
  
  
  23.     Thread.sleep(1000);
    24. 
  
  
  
  
  24. }
    25. 
  
  
  
  
  25. for (int i = 1; i <=3 ; i++) {
    26. 
  
  
  
  
  26.     new Thread(new TakeThread()).start();
    27. 
  
  
  
  
  27.     Thread.sleep(1000);
    28. 
  
  
  
  
  28. }
    29.

運行上面的代碼，查看結(jié)果：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. takeThread take: 3
    2. 
  
  
  
  
  2. putThread 3 end
    3. 
  
  
  
  
  3. takeThread take: 2
    4. 
  
  
  
  
  4. putThread 2 end
    5. 
  
  
  
  
  5. takeThread take: 1
    6. 
  
  
  
  
  6. putThread 1 end
    7.

可以看到，生產(chǎn)者線程在執(zhí)行完put后會進行阻塞，直到有消費者線程調(diào)用take方法取走了數(shù)據(jù)，才會喚醒被阻塞的線程。并且，數(shù)據(jù)的出隊與入隊順序是相反的，即非公平模式下采用的是后進先出的順序。

原圖

面試官：就是把結(jié)構(gòu)從隊列換成了棧，真就這么簡單?

Hydra：并不是，包括底層節(jié)點以及出入棧的邏輯都做了相應(yīng)的改變。我們先看節(jié)點，在之前的公平模式中隊列的節(jié)點是QNode，非公平模式下棧中節(jié)點是SNode，定義如下：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. volatile SNode next; // 指向下一個節(jié)點的指針
    2. 
  
  
  
  
  2. volatile SNode match; // 存放和它進行匹配的節(jié)點
    3. 
  
  
  
  
  3. volatile Thread waiter;  // 保存阻塞的線程
    4. 
  
  
  
  
  4. Object item;                
    5. 
  
  
  
  
  5. int mode;
    6. 
  
  
  
  
  6. SNode(Object item) {
    7. 
  
  
  
  
  7.     this.item = item;
    8. 
  
  
  
  
  8. }
    9.

和QNode類似，如果是生產(chǎn)者構(gòu)建的節(jié)點，那么item非空，如果是消費者產(chǎn)生的節(jié)點，那么item為null。此外還有一個mode屬性用來表示節(jié)點的狀態(tài)，它使用TransferStack中定義的3個常量來表示不同狀態(tài)：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. static final int REQUEST    = 0; //消費者
    2. 
  
  
  
  
  2. static final int DATA       = 1; //生產(chǎn)者
    3. 
  
  
  
  
  3. static final int FULFILLING = 2; //匹配中狀態(tài)
    4.

TransferStack中沒有攜帶參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)，使用一個head節(jié)點來標記棧頂節(jié)點：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. volatile SNode head;
    2.

面試官：基本結(jié)構(gòu)就講到這吧，還是老規(guī)矩，先從入隊操作開始分析吧。

Hydra：當棧為空、或棧頂元素的類型與自己相同時，會先創(chuàng)建一個SNode節(jié)點，并將它的next節(jié)點指向當前棧頂?shù)膆ead，然后將head指針指向自己。這個過程中通過使用CAS保證線程安全，如果失敗則退出，在循環(huán)中采取自旋的方式不斷進行嘗試，直到節(jié)點入棧成功。用一張圖來表示兩個線程同時入棧的場景：

原圖

當節(jié)點完成入棧后，調(diào)用awaitFulfill方法，等待匹配的操作的到來。在這一過程中，會使節(jié)點對應(yīng)的線程進行自旋或掛起操作，直到匹配操作的節(jié)點將自己喚醒，或被其他線程中斷、等待超時。

當入棧后的節(jié)點是棧頂節(jié)點，或者節(jié)點的類型為FULFILLING匹配狀態(tài)時，那么可能會馬上完成匹配，因此先進行自旋，當超過自旋次數(shù)上限后再掛起。而如果節(jié)點在自旋過程中，有新的節(jié)點壓入棧頂，會將非棧頂節(jié)點剩余的自旋次數(shù)直接清零，掛起線程避免浪費資源。

原圖

面試官：你上面也說了，掛起的線程有可能會超時或者被中斷，這時候應(yīng)該怎么處理?

Hydra：當這兩種情況出現(xiàn)時，SNode會將match屬性設(shè)為自身，退出awaitFulfill方法，然后調(diào)用clean方法將對應(yīng)的節(jié)點清理出棧。具體情形可分為兩種情況。先說簡單的情況，如果清理的是棧頂節(jié)點，那么直接將head節(jié)點指向它的next節(jié)點，即將當前棧頂節(jié)點彈出即可。

面試官：那么如果要刪除的節(jié)點不是棧頂?shù)墓?jié)點呢?

Hydra：如果清理的不是棧頂節(jié)點，會稍微有一些麻煩。因為棧的底層是一個單向的鏈表結(jié)構(gòu)，所以需要從棧頂head節(jié)點開始遍歷，遍歷到被刪除節(jié)點的后繼節(jié)點為止。所以在清除工作開始前，先使用了一個past節(jié)點標記需要刪除節(jié)點的下一個節(jié)點，作為結(jié)束遍歷的標記。

然后創(chuàng)建一個標記節(jié)點p，初始時指向head節(jié)點，開始循環(huán)，如果p的next節(jié)點不是需要被刪除的節(jié)點，那么就將p向后移一個位置，直到找到這個需要被刪除的中斷或超時的節(jié)點，然后將p的next指向這個刪除節(jié)點的next節(jié)點，在邏輯上完成鏈表中節(jié)點的刪除。

原圖

面試官：單一類型節(jié)點的入棧應(yīng)該說完了吧，接下來說說不同類型節(jié)點間是如何實現(xiàn)的匹配操作吧?

Hydra：好的，那我們先回顧一點上面的知識，前面說過每個節(jié)點有一個mode屬性代表它的模式，REQUEST表示它是消費者，DATA表示是生產(chǎn)者，F(xiàn)ULFILLING表明正處于匹配中的狀態(tài)。

在一個新的線程調(diào)用方法時，先判斷它的類型mode是什么，如果和當前棧頂head節(jié)點類型不同，且head節(jié)點的狀態(tài)不為匹配中時，將它的狀態(tài)設(shè)置為FULFILLING|mode，壓入棧中。然后將嘗試匹配新的head節(jié)點和它的next節(jié)點，如果匹配成功，會將next節(jié)點的match屬性設(shè)置為head節(jié)點，喚醒掛起的next節(jié)點中的線程。

在完成匹配后，當前頭節(jié)點對應(yīng)的線程會協(xié)助推進head節(jié)點，將head指向next節(jié)點的下一個節(jié)點，即完成了棧頂兩節(jié)點的出棧。最終消費者線程會返回匹配的生產(chǎn)者節(jié)點中的item數(shù)據(jù)值，而生產(chǎn)者線程也會結(jié)束運行退出。

我們以棧中當前節(jié)點為DATA類型，新節(jié)點為REQUEST類型畫一張圖，來直觀的感受一下上面的流程：

原圖

面試官：總算是講完了，能對SynchronousQueue做一個簡單的總結(jié)嗎?

Hydra：SynchronousQueue基于底層結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了線程配對通信這一機制。在它的公平模式下使用的是先進先出(FIFO)的隊列，非公平模式下使用的是后進先出(LIFO)的棧，并且SynchronousQueue沒有使用synchronized或ReentrantLock，而是使用了大量的CAS操作來保證并發(fā)操作?？赡芪覀冊谄匠５墓ぷ髦惺褂脠鼍安皇呛芏?，但是在線程池的設(shè)計中使用了SynchronousQueue，還是有很重要的應(yīng)用場景的。

面試官：講的還行，不過剛才這些和公平模式聽起來感覺區(qū)別不大啊，沒有什么技術(shù)含量。這樣吧，你明天過來我們加試一場，我再給你打分。

Hydra：(溜了溜了，還是找家別的靠譜公司吧……)


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