Java并发54:并发集合系列-基于CAS算法的非阻塞无数据缓冲队列SynchronousQueue

原文地址:https://blog.csdn.net/Dax1n/article/details/69813682

介绍

Java 6的并发编程包中的SynchronousQueue是一个没有数据缓冲的BlockingQueue(队列只能存储一个元素)。

生产者线程对其的插入操作put必须等待消费者的移除操作take,反过来也一样,消费者移除数据操作必须等待生产者的插入。

不像ArrayBlockingQueue或LinkedListBlockingQueue,SynchronousQueue内部并没有数据缓存空间。

你不能调用peek()方法来看队列中是否有数据元素,因为数据元素只有当你试着取走的时候才可能存在,不取走而只想偷窥一下是不行的,当然遍历这个队列的操作也是不允许的。

队列头元素是第一个排队要插入数据的线程,而不是要交换的数据。

数据是在配对的生产者和消费者线程之间直接传递的,并不会将数据缓冲数据到队列中。

可以这样来理解:生产者和消费者互相等待对方,握手,然后一起离开。


实现原理

不像ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingDeque之类的阻塞队列依赖AQS实现并发操作,SynchronousQueue直接使用CAS实现线程的安全访问。


应用场景

SynchronousQueue的一个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,如果有空闲线程则会重复使用,线程空闲了60秒后会被回收。

// 创建newCachedThreadPool线程池使用的消息队列是:SynchronousQueue  
ExecutorService es1 = Executors.newCachedThreadPool();  

java.util.concurrent.Executors.newCachedThreadPool实现:

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {  
    return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,60L, TimeUnit.SECONDS,new SynchronousQueue<Runnable>());  
}  

SynchronousQueue非常适合做交换工作,生产者的线程和消费者的线程同步以传递某些信息、事件或者任务。

使用方式

接下来研究一下SynchronousQueue的使用:

SynchronousQueue创建:

// 如果为 true,则等待线程以 FIFO 的顺序竞争访问;否则顺序是未指定的。
// SynchronousQueue<Integer> sc =new SynchronousQueue<>(true);//fair -
SynchronousQueue<Integer> sc = new SynchronousQueue<>(); // 默认不指定的话是false,不公平的

由于SynchronousQueue是没有缓冲区的,所以如下方法不可用:

sc.peek();// Always returns null
sc.clear();
sc.contains(1);
sc.containsAll(new ArrayList<Integer>());
sc.isEmpty();
sc.size();
sc.toArray();
Integer [] in=new Integer[]{new Integer(2)};
sc.toArray(in);
sc.removeAll(new ArrayList<Integer>());
sc.retainAll(new ArrayList<Integer>());
sc.remove("a");
sc.peek();

由于SynchronousQueue 队列中最多只有一个元素,所以这些方法是没有意义的,所以在对方法的实现体中阉割掉了。


SynchronousQueue 获取元素:

public class Main {  
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
        SynchronousQueue<Integer> sc = new SynchronousQueue<>(); // 默认不指定的话是false,不公平的  
//      sc.take();// 没有元素阻塞在此处,等待其他线程向sc添加元素才会获取元素向下执行  
        sc.poll();//没有元素不阻塞在此处直接返回null向下执行  
        sc.poll(5,TimeUnit.SECONDS);//没有元素阻塞在此处等待指定时间,如果还是没有元素直接返回null向下执行  
    }  
}  

SynchronousQueue 存入元素:

public class Main {  
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
        SynchronousQueue<Integer> sc = new SynchronousQueue<>(); // 默认不指定的话是false,不公平的  
        // sc.put(2);//没有线程等待获取元素的话,阻塞在此处等待一直有线程获取元素时候放到队列继续向下运行  
        sc.offer(2);// 没有线程等待获取元素的话,不阻塞在此处,如果该元素已添加到此队列,则返回 true;否则返回 false  
        sc.offer(2, 5, TimeUnit.SECONDS);// 没有线程等待获取元素的话,阻塞在此处等待指定时间,如果该元素已添加到此队列,则返回true;否则返回 false  
    }  
}  

总结:

  • take和put是阻塞的获取和存储元素的方法,
  • poll和offer是不阻塞的获取元素和存储元素的方法,并且poll和offer可以指定超时时间。

以上是基础Api的讲解,但是并不是实际的用法。接下来看一下使用的Demo:

public class SynchronousQueueMain {  
    public static void main(String[] args) throws Exception {  
        // 如果为 true,则等待线程以 FIFO 的顺序竞争访问;否则顺序是未指定的。  
        // SynchronousQueue<Integer> sc =new SynchronousQueue<>(true);//fair  
        SynchronousQueue<Integer> sc = new SynchronousQueue<>(); // 默认不指定的话是false,不公平的  
        new Thread(() -> { //生产者线程,使用的是lambda写法,需要使用JDK1.8  
            while (true) {  
                try {  
                    sc.put(new Random().nextInt(50));  
                    //将指定元素添加到此队列,如有必要则等待另一个线程接收它。  
                    // System.out.println("sc.offer(new Random().nextInt(50)): "+sc.offer(new Random().nextInt(50)));   
                    // 如果另一个线程正在等待以便接收指定元素,则将指定元素插入到此队列。如果没有等待接受数据的线程则直接返回false  
                    // System.out.println("sc.offer(2,5,TimeUnit.SECONDS):  
                    // "+sc.offer(2,5,TimeUnit.SECONDS));//如果没有等待的线程,则等待指定的时间。在等待时间还没有接受数据的线程的话,直接返回false  
                    System.out.println("添加操作运行完毕...");//是操作完毕,并不是添加或获取元素成功!  
                    Thread.sleep(1000);  
                } catch (Exception e) {  
                    // TODO Auto-generated catch block  
                    e.printStackTrace();  
                }  
            }  
        }).start();  
        new Thread(() -> {//消费者线程。使用的是lambda创建的线程写法需要使用jdk1.8  
            while (true) {  
                try {  
                    System.out.println("-----------------> sc.take: " + sc.take());  
                    System.out.println("-----------------> 获取操作运行完毕...");//是操作完毕,并不是添加或获取元素成功!  
                    Thread.sleep(1000);  
                } catch (Exception e) {  
                    // TODO Auto-generated catch block  
                    e.printStackTrace();  
                }  
            }  
        }).start();  
    }  
}  

take 、poll和put、offer可以组合使用,可以根据实际业务需求选择!

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