• AQS之ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、SynchronousQueue阻塞队列特性及源码分析

    系列文章目录

    第一节 synchronized关键字详解-偏向锁、轻量级锁、偏向锁、重量级锁、自旋、锁粗化、锁消除
    第二节 AQS抽象队列同步器原理详解
    第三节 AQS之ReentrantLock特性和源码分析及CAS和LockSupport的核心原理

    AQS之BlockQueue阻塞队列特性及源码分析

    前言

    BlockingQueue——是JUC包提供用于解决并发生产者与消费者问题的类，具有在任意时刻只有一个线程可以进行take或者put方法的特性，即执行take和put方法时阻塞，还提供了超时机制，常用于解耦，在很多的生产与消费场景中可以看见，例如需要在一个系统内实现多任务并发执行，可将任务放入阻塞队列存放，多线程进行消费执行。

    一、队列的类型与数据结构

    • 队列可分为无限队列 （几乎可以无限增长）和有限队列 （定义了最大容量）两种类型
    • 是一种存储数据的结构，可用链表或者数组实现
    • 具备FIFO先进先出的特性，也有双端队列（Deque）优先级队列
    • 主要操作包含入队（EnQueue）与出队（Dequeue）

    二、阻塞队列的常见类型

    1、ArrayBlockingQueue-由数组支持的有界队列

    • ArrayBlockingQueue是最典型的有界阻塞队列，其内部是用数组存储元素的，初始化时需要指定容量大小
    • 在生产者-消费者模型中使用时，如果生产速度和消费速度基本匹配的情况下，使用ArrayBlockingQueue是个不错选择；当如果生产速度远远大于消费速度，则会导致队列填满，大量生产线程被阻塞，反之则是大量消费线程被阻塞。
    • 使用独占锁ReentrantLock实现线程安全，入队和出队操作使用同一个锁对象，也就是只能有一个线程可以进行入队或者出队操作；这也就意味着生产者和消费者无法并行操作，在高并发场景下会成为性能瓶颈。

    A、代码案例

    下面是以一个工厂生产包子，然后进行包装消费的案例
    包子类

    package com.xj.queue;

//包子类
public class Bun {
    String id;//包子编号
    int weight;//包子重量

    public String getId() {
        return id;
    }

    public void setId(String id) {
        this.id = id;
    }

    public int getWeight() {
        return weight;
    }

    public void setWeight(int weight) {
        this.weight = weight;
    }
}


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    包子制作工人线程

    package com.xj.queue;

import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import java.util.List;
import java.util.Random;
import java.util.UUID;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;

//包子制作者
public class BunProducer implements Runnable{
    static Logger log = LoggerFactory.getLogger(BunProducer.class);

    private BlockingQueue<Bun> queue;
    List<Bun> bucket;

    public BunProducer(BlockingQueue<Bun> queue,List<Bun> bucket) {
        this.queue = queue;
        this.bucket = bucket;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true){
            try{
                if(BunStarter.producer_counter.get() >= BunStarter.bunNumber){
                    log.info("制作工人:{},本次需要生产的包子数量达到{}，将停止生产",Thread.currentThread().getName(),BunStarter.bunNumber);
                    break;
                }
                Bun bun = new Bun();
                bun.setId(UUID.randomUUID().toString());
                bun.setWeight(new Random().nextInt(10) + 95);//重量在：95-104
                if(bun.getWeight() >= BunStarter.qualifiedWeight){
                    this.queue.put(bun);
                    int count = BunStarter.producer_counter.incrementAndGet();
                    log.info("制作工人:{},包子ID:{},重量:{}合格,投入生产线队列进行包装,目前生产总额为{}",Thread.currentThread().getName(),bun.getId(),bun.getWeight(),count);
                }else {
                    log.info("制作工人:{},包子ID:{},重量:{}不合格,将放入不合格桶",Thread.currentThread().getName(),bun.getId(),bun.getWeight());
                    bucket.add(bun);
                }
            }catch (InterruptedException e){
                log.info("制作工人:{},被中断，将停止包子制作",Thread.currentThread().getName());
                break;
            }
        }
    }
}



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    包子消费工人线程

    package com.xj.queue;

import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

//包子包装者
public class BunConsumer implements Runnable {
    static Logger log = LoggerFactory.getLogger(BunConsumer.class);

    private BlockingQueue<Bun> queue;

    public BunConsumer(BlockingQueue<Bun> queue) {
        this.queue = queue;
    }

    @Override
    public void run() {
        while(true){
            try{
                if(BunStarter.consumer_counter.get() >= BunStarter.bunNumber){
                    log.info("包装工人:{},本次需要包装的包子数量达到{}，将停止包装",Thread.currentThread().getName(),BunStarter.bunNumber);
                    break;
                }
                //Bun bun = queue.take();//会一直阻塞
                Bun bun = queue.poll(10, TimeUnit.SECONDS);//阻塞10s
                if(bun != null){
                    log.info("包装工人:{},包子ID:{},开始进行包装，目前包装总额为{}",Thread.currentThread().getName(),bun.getId(),BunStarter.consumer_counter.incrementAndGet());
                }
            }catch (InterruptedException e) {
                log.info("包装工人:{},被中断，将停止包子包装",Thread.currentThread().getName());
                break;
            }
        }
    }
}

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    包子生产条线启动器

    package com.xj.queue;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

//包子生产条线启动器
public class BunStarter {
    //包子制作工人数目
    public static final int bunProducerNum = 10;
    //包子包装工人数目
    public static final int bunConsumerNum = 10;

    //需要生产进行包装的包子总个数
    public static final int bunNumber = 5000;

    //定义包子重量不足100g为不合格产品
    public static final int qualifiedWeight = 100;

    //生产包子计数器,原子操作
    public static AtomicInteger producer_counter = new AtomicInteger();

    //消费包子计数器,原子操作
    public static AtomicInteger consumer_counter = new AtomicInteger();

    public static void main(String[] args) {
        //储存包子的队列大小容量为100(类似流水线的长度)
        BlockingQueue<Bun> bunQueue = new ArrayBlockingQueue<Bun>(100);

        //存放所有不合格包子产品,保证线程安全
        List<Bun> bucket = Collections.synchronizedList(new ArrayList<Bun>());

        //多个包子制作工人
        for (int i = 1; i <= bunProducerNum; i++) {
            new Thread(new BunProducer(bunQueue,bucket)).start();
        }

        //多个包子包装工人
        for (int i = 1; i <= bunConsumerNum; i++) {
            new Thread(new BunConsumer(bunQueue)).start();
        }

    }
}


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    结果打印：
    在这里插入图片描述

    B、源码分析

    利用Lock锁的Condition通知机制进行阻塞控制，一把ReentrantLock锁、两个条件（notEmpty、notFull）。

    （1）、初始化队列

    构造阻塞队列

    new ArrayBlockingQueue<Bun>(100);

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    使用的是ReentrantLock非公平锁以及条件Condition

    public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
        this(capacity, false);
}

public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
        if (capacity <= 0)
            throw new IllegalArgumentException();
        //队列数组
        this.items = new Object[capacity];
        //非公平锁
        lock = new ReentrantLock(fair); //公平，非公平
        //两个条件队列notEmpty和notFull
        notEmpty = lock.newCondition();//队列不空
        notFull =  lock.newCondition();//队列不满
}

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    （2）、入队PUT方法
    	/**
     * Inserts the specified element at the tail of this queue, waiting
     * for space to become available if the queue is full.
     *
     * @throws InterruptedException {@inheritDoc}
     * @throws NullPointerException {@inheritDoc}
     */
    public void put(E e) throws InterruptedException {
        checkNotNull(e);
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        //加锁，如果线程中断抛出异常 
        lock.lockInterruptibly();
        try {
        	//循环判断队列是否满了
        	//为什么要使用while，而不是if判断呢？是为了防止虚假唤醒
        	/*if只会判断一次，如果条件满足，也就阻塞一次；使用while可以在唤醒之后继续判断条件
        	*/
            while (count == items.length)
            	//在notFull条件上等待，并释放锁
                notFull.await();
            // 入队
            enqueue(e);
        } finally {
        	//解锁
            lock.unlock();
        }
    }

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    enqueue(e)方法操作入队逻辑

    	/**
     * Inserts element at current put position, advances, and signals.
     * Call only when holding lock.
     */
    private void enqueue(E x) {
        // assert lock.getHoldCount() == 1;
        // assert items[putIndex] == null;
        final Object[] items = this.items;
        //放入数组
        items[putIndex] = x;
		//环形数组:putIndex指针到数组尽头了，返回头部
        if (++putIndex == items.length)
            putIndex = 0;
        count++;
        //唤醒notEmpty条件队列
        notEmpty.signal();
    }

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    signal方法将条件等待队列中

    public final void signal() {
            if (!isHeldExclusively())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            Node first = firstWaiter;
            //判断头节点是否为空
            if (first != null)
                doSignal(first);
}

private void doSignal(Node first) {
            do {
                if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
                    lastWaiter = null;
                first.nextWaiter = null;
            } while (!transferForSignal(first) && (first = firstWaiter) != null);//从条件队列转移到同步队列成功，退出循环，反之则继续调用transferForSignal方法
}

final boolean transferForSignal(Node node) {
        /*
         * If cannot change waitStatus, the node has been cancelled.
         */
        //将node节点的状态修改为0
        if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
            return false;

        /*
         * Splice onto queue and try to set waitStatus of predecessor to
         * indicate that thread is (probably) waiting. If cancelled or
         * attempt to set waitStatus fails, wake up to resync (in which
         * case the waitStatus can be transiently and harmlessly wrong).
         */
        //入同步等待队列
        Node p = enq(node);
        int ws = p.waitStatus;
        if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
            LockSupport.unpark(node.thread);
        return true;
}

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    await方法在接口Condition定义，在AQS里实现

    public final void await() throws InterruptedException {
			//如果线程被中断，抛出InterruptedException异常
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
            //将线程加入条件等待队列
            Node node = addConditionWaiter();
            //释放当前锁
            int savedState = fullyRelease(node);
            int interruptMode = 0;
            //循环判断node节点是否在同步等待队列
            while (!isOnSyncQueue(node)) {
            	//阻塞
                LockSupport.park(this);
                if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                    break;
            }
            //节点线程再次去申请锁
            if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
                interruptMode = REINTERRUPT;
            if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
                unlinkCancelledWaiters();
            if (interruptMode != 0)
                reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}

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    addConditionWaiter方法添加到条件等待队列

    /**
         * Adds a new waiter to wait queue.
         * @return its new wait node
         */
        private Node addConditionWaiter() {
        	//t指向尾结点
            Node t = lastWaiter;
            // If lastWaiter is cancelled, clean out.
            //如果尾结点不为空并且waitStatus信号量不是condition
            if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
            	//清除掉不符合条件的节点
                unlinkCancelledWaiters();
                //t继续指向尾结点
                t = lastWaiter;
            }
            //构造条件节点
            Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
            //尾结点t为空，头节点firstWaiter指针指向当前节点
            if (t == null)
            	// 初始化队列
                firstWaiter = node;
            else
            	//尾结点t的下一个节点nextWaiter指针指向当前节点
                t.nextWaiter = node;
            //尾结点指针lastWaiter指向当前节点
            lastWaiter = node;
            return node;
        }

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    unlinkCancelledWaiters方法:遍历等待队列，将非CONDITION状态到的节点移除

    private void unlinkCancelledWaiters() {
	//t指针指向头节点
    Node t = firstWaiter; 
    //记录遍历进度节点的指针
    Node trail = null;
    //如果头节点不为空
    while (t != null) { 
    	//遍历等待队列，保存当前t的下一个节点对象
        Node next = t.nextWaiter; 
        //如果当前t节点的状态不是为CONDITION
        if (t.waitStatus != Node.CONDITION) { 
        	//将t节点移除队列，t节点的nextWaiter指针指向null
            t.nextWaiter = null;
            //第一次遍历,进度节点为null
            if (trail == null)
            	//头节点指向被移除节点的下一个节点
                firstWaiter = next; 
            else
            	//进度节点不为null，则指向下一个节点
                trail.nextWaiter = next; 
            //如果next为空，表明队列遍历完成，将尾指针指向进度节点
            if (next == null)
                lastWaiter = trail;
        }
        else //如果当前t节点的状态是CONDITION
        	//保存进度节点
            trail = t;
        //指针t指向下一个节点
        t = next;
    }
}

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    （3）、出队TAKE方法
    public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    //加锁，如果线程中断抛出异常 
    lock.lockInterruptibly();
    try {
       //如果队列为空
        while (count == 0)
            notEmpty.await();//在notEmpty条件上等待，并释放锁
        //出队
        return dequeue();
    } finally {
        lock.unlock();// 解锁，唤醒其它线程
    }
}

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    dequeue出队方法

    private E dequeue() {
    final Object[] items = this.items;
    @SuppressWarnings("unchecked")
    E x = (E) items[takeIndex]; //取出takeIndex位置的元素
    items[takeIndex] = null;
    if (++takeIndex == items.length)
        takeIndex = 0; // 环形数组，takeIndex 指针到数组尽头了，返回头部
    count--;
    if (itrs != null)
        itrs.elementDequeued();
    notFull.signal();//notFull条件队列转同步队列
    return x;
}

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    2、LinkedBlockingQueue-由链表支持的可选有界队列

    • LinkedBlockingQueue是一个基于链表实现的阻塞队列，默认情况下，该阻塞队列的大小为Integer.MAX_VALUE，由于这个数值特别大，所以LinkedBlockingQueue也被称作无界队列，代表它几乎没有界限，队列可以随着元素的添加而动态增长，但是如果没有剩余内存，则队列将抛出OOM错误。所以为了避免队列过大造成机器负载或者内存爆满的情况出现，我们在使用的时候建议手动传一个队列的大小。
    • LinkedBlockingQueue内部由单链表实现，只能从head取元素，从tail添加元素。
    • LinkedBlockingQueue采用两把锁的锁分离技术实现入队出队互不阻塞，添加元素和获取元素都有独立的锁，也就是说LinkedBlockingQueue是读写分离的，读写操作可以并行执行。

    源码分析

    （1）、初始化队列
        /**
     * Creates a {@code LinkedBlockingQueue} with a capacity of
     * {@link Integer#MAX_VALUE}.
     */
    //无界队列
    public LinkedBlockingQueue() {
        this(Integer.MAX_VALUE);
    }

    /**
     * Creates a {@code LinkedBlockingQueue} with the given (fixed) capacity.
     *
     * @param capacity the capacity of this queue
     * @throws IllegalArgumentException if {@code capacity} is not greater
     *         than zero
     */
    //有界队列
    public LinkedBlockingQueue(int capacity) {
        if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
        this.capacity = capacity;
        last = head = new Node<E>(null);
    }

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    （2）、常用属性
    //容量,指定容量就是有界队列
private final int capacity;

//元素数量
private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();

//头节点
transient Node<E> head;

//尾节点
private transient Node<E> last;

//take锁，锁分离，提高效率
private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();

//notEmpty条件
//当队列无元素时，take锁会阻塞在notEmpty条件上，等待其它线程唤醒
private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();

//put锁，锁分离，提高效率
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();

//notFull条件
//当队列满了时，put锁会会阻塞在notFull上，等待其它线程唤醒
private final Condition notFull = putLock.newCondition();

//单链表Node元素
static class Node<E> {
    E item;  //存储元素
    Node<E> next;  //后继节点    单链表结构
    Node(E x) { item = x; }
}

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    （3）、入队PUT方法
    public void put(E e) throws InterruptedException {
		//元素为null，抛出空指针异常
        if (e == null) throw new NullPointerException();
        // Note: convention in all put/take/etc is to preset local var
        // holding count negative to indicate failure unless set.
        int c = -1;
        //构建Node节点
        Node<E> node = new Node<E>(e);
        //put操作锁
        final ReentrantLock putLock = this.putLock;
        final AtomicInteger count = this.count;
        //加put锁
        putLock.lockInterruptibly();
        try {
            /*
             * Note that count is used in wait guard even though it is
             * not protected by lock. This works because count can
             * only decrease at this point (all other puts are shut
             * out by lock), and we (or some other waiting put) are
             * signalled if it ever changes from capacity. Similarly
             * for all other uses of count in other wait guards.
             */
            //判断元数个数是否满了
            while (count.get() == capacity) {
                notFull.await();//释放锁，当前线程加入条件等待队列
            }
            //链表入队
            enqueue(node);
            //获取元数个数后，原子加1
            c = count.getAndIncrement();
            //如果少于容量
            if (c + 1 < capacity)
            	//可唤醒生产者线程（唤醒阻塞在notFull条件上的线程），从条件等待队列转移到同步等待队列，继续生产入队，等待unlock释放锁
                notFull.signal();
        } finally {
        	//put锁释放，真正唤醒生产者线程
            putLock.unlock();
        }
        //如果原队列长度为0，现在加了一个元素后立即唤醒阻塞在notEmpty上的线程
        if (c == 0)
            signalNotEmpty();
}

//存节点从last进
private void enqueue(Node<E> node) { 
    //尾节点的下一个节点指向node节点,尾节点last指向入队元素
    last = last.next = node;
}    

private void signalNotEmpty() {
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock; 
    takeLock.lock();// 加take锁
    try {
    	// notEmpty条件队列转同步队列，准备唤醒阻塞在notEmpty上的线程
        notEmpty.signal();
    } finally {
        takeLock.unlock();  // 真正唤醒消费者线程
}

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    （4）、出队TAKE方法
    public E take() throws InterruptedException {
        E x;
        int c = -1;
        final AtomicInteger count = this.count;
        final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
        //加take锁
        takeLock.lockInterruptibly();
        try {
        	//队列元素个数为0
            while (count.get() == 0) {
            	//在notEmpty条件上阻塞并释放锁，加入到条件等待队列
                notEmpty.await();
            }
            //出队
            x = dequeue();
            //获取元数个数后，原子减1
            c = count.getAndDecrement();
            //如果取之前队列元素个数大于1
            if (c > 1)
            	//notEmpty条件队列转同步队列，准备唤醒阻塞在notEmpty上的线程，原因与入队同理
                notEmpty.signal();
        } finally {
        	//真正唤醒消费者线程
            takeLock.unlock();
        }
        // 如果取之前队列元素个数等于容量（表示已满），则唤醒阻塞在notFull的线程
        if (c == capacity)
            signalNotFull();
        return x;
}

//取节点从head出
private E dequeue() {
    //head节点不存储item元素值
    //删除head，并把head下一个节点作为新的head节点，并把其值置空，返回原来的值
    Node<E> h = head;//头节点
    Node<E> first = h.next;//头节点的后继节点为出队节点
    h.next = h; // 方便GC,h.next指向空
    head = first;//头节点指向first节点
    E x = first.item;//返回first节点item值
    first.item = null;//清空first节点的item值
    return x;
}

private void signalNotFull() {
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    putLock.lock();
    try {
        notFull.signal();// notFull条件队列转同步队列，准备唤醒阻塞在notFull上的线程
    } finally {
        putLock.unlock(); // 解锁，这才会真正的唤醒生产者线程
}

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    3、SynchronousQueue-无缓冲的等待队列

    • SynchronousQueue是一个无数据缓冲的阻塞队列，生产者线程对其的put插入操作必须等待消费者的take移除操作，这也就导致每次取数据都要先阻塞，直到有数据被放入；同理，每次放数据的时候也会阻塞，直到有消费者来取
    • 适合传递性场景做交换工作，生产者的线程和消费者的线程同步传递某些信息、事件或者任务

    A、代码案例

    package com.xj.queue;

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.SynchronousQueue;

public class SynchronousQueueExample {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    	//默认false为非公平模式，true为公平模式
        BlockingQueue<Integer> synchronousQueue = new SynchronousQueue<Integer>();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try{
                    Integer value = synchronousQueue.take();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+value);
                }catch (InterruptedException e){
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"consumer1").start();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try{
                    Integer value = synchronousQueue.take();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+value);
                }catch (InterruptedException e){
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"consumer2").start();

        Thread.sleep(1000);

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try{
                    synchronousQueue.put(1);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+1);
                }catch (InterruptedException e){
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"product1").start();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try{
                    synchronousQueue.put(2);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+2);
                }catch (InterruptedException e){
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"product2").start();

    }
}


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    结果打印，默认采用的非公平模式

    product1:1
consumer2:1
product2:2
consumer1:2

Process finished with exit code 0

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    B、源码分析

    （1）、初始化队列

    非公平模式基于链表队列实现

    BlockingQueue<Integer> synchronousQueue = new SynchronousQueue<Integer>();

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    公平模式基于栈结构实现

    BlockingQueue<Integer> synchronousQueue = new SynchronousQueue<Integer>(true);

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    默认构造方法采用非公平模式，TransferQueue和TransferStack都继承Transferer抽象类并重写了transfer方法

    	/**
     * Creates a {@code SynchronousQueue} with nonfair access policy.
     */
    public SynchronousQueue() {
        this(false);
    }

    /**
     * Creates a {@code SynchronousQueue} with the specified fairness policy.
     *
     * @param fair if true, waiting threads contend in FIFO order for
     *        access; otherwise the order is unspecified.
     */
    public SynchronousQueue(boolean fair) {
        transferer = fair ? new TransferQueue<E>() : new TransferStack<E>();
    }

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    Transferer抽象类

    /**
     * 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);
    }

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    （2）、入队PUT方法
    public void put(E e) throws InterruptedException {
		//put元素为空，抛出空指针异常
        if (e == null) throw new NullPointerException();
        if (transferer.transfer(e, false, 0) == null) {
        	//如果判断成立，说明是中断唤醒的，则设置中断标记并抛出中断异常
            Thread.interrupted();
            throw new InterruptedException();
        }
}

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    （2）、出队TAKE方法
     public E take() throws InterruptedException {
 		//
        E e = transferer.transfer(null, false, 0);
        //take元素不为空返回
        if (e != null)
            return e;
        //如果take元素为null，说明是中断唤醒的，则设置中断标记并抛出中断异常
        Thread.interrupted();
        throw new InterruptedException();
}

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    （3）、transfer方法

    不论出队还是入队操作都调用了transfer方法

    //抽象方法，第一个参数为put元素值，为null说明是take操作
abstract E transfer(E e, boolean timed, long nanos);

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    公平模式-TransferQueue

    采用链表数据结构，QNode节点结构如下：

    static final class QNode {
			//下一个节点
            volatile QNode next;          // next node in queue
            //节点元素
            volatile Object item;         // CAS'ed to or from null
            //节点所属的线程
            volatile Thread waiter;       // to control park/unpark
            //put和take的标记，put为true，take为false
            final boolean isData;

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

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    TransferQueue构造方法

    TransferQueue() {
    //构造空节点，并设置isData为false，表示为take的节点
    QNode h = new QNode(null, false); // initialize to dummy node.
    //头节点和尾节点都指向了当前空节点
    head = h;
    tail = h;
}

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    重写transfer方法

    E transfer(E e, boolean timed, long nanos) {
            QNode s = null; // constructed/reused as needed
            //判断当前e元素是否为空，e为空说明是take返回false，e不为空为put返回true
            boolean isData = (e != null);
			
			//自旋,保证CAS执行成功
            for (;;) {
            	//指向尾节点
                QNode t = tail;
                //指向头节点
                QNode h = head;
                
                // 头尾为空，说明没有被初始化,继续下次循环
                if (t == null || h == null)         // saw uninitialized value
                    continue;                       // spin
				
				//头节点和尾节点相等（队列中只有一个节点或者是只有一个空节点）或者模式相同（队尾节点的模式匹配）
                if (h == t || t.isData == isData) { // empty or same-mode
                	//获取尾节点的下一个节点
                    QNode tn = t.next;
                    //尾结点不一致，继续下次循环（由于其他节点入队了，导致读不一致）
                    if (t != tail)                  // inconsistent read
                        continue;
                    //尾节点的后继节点不为空
                    if (tn != null) {               // lagging tail
                    	//CAS修改尾节点
                        advanceTail(t, tn);
                        //下次继续循环
                        continue;
                    }
                    if (timed && nanos <= 0)        // can't wait
                        return null;
                    //当前的节点不存在,构建QNode新节点
                    if (s == null)
                        s = new QNode(e, isData);
                    //CAS修改节点s的next指针
                    if (!t.casNext(null, s))        // failed to link in
                    	//修改失败，则下次继续循环
                        continue;
					//CAS将当前节点s修改为尾节点
                    advanceTail(t, s);              // swing tail and wait
                    //自旋阻塞
                    Object x = awaitFulfill(s, e, timed, nanos);
                    //节点被取消、中断或超时
                    if (x == s) {                   // wait was cancelled
                    	//清除当前s节点
                        clean(t, s);
                        //返回null
                        return null;
                    }
					
					//没有被取消、中断或超时
                    if (!s.isOffList()) {           // not already unlinked
                    	// 如果是头节点，从队列中移除
                        advanceHead(t, s);          // unlink if head
                        //当前元素不是空的
                        if (x != null)              // and forget fields
                        	//将当前节点的item执行当前节点
                            s.item = s;
                        //当前节点的持有线程变为null
                        s.waiter = null;
                    }
                    //返回处理后的元素,take操作传入null返回数据，put操作传入数据e返回null
                    return (x != null) ? (E)x : e;
				//模式不同的逻辑
                } else {                            // complementary-mode
                	//获取头节点的后继节点
                    QNode m = h.next;               // node to fulfill
                    //尾节点不同||头节点的后继为空||头节点不同，则下次继续循环
                    if (t != tail || m == null || h != head)
                        continue;                   // inconsistent read
					//获取头节点的后继节点元素
                    Object x = m.item;
                    if (isData == (x != null) ||    // m already fulfilled 节点位置有值
                        x == m ||                   // m cancelled 节点被取消、中断或超时
                        !m.casItem(x, e)) {         // lost CAS CAS修改item（无值修改为有值，有值修改为无值）
                        advanceHead(h, m);          // dequeue and retry
                        continue;
                    }
                    advanceHead(h, m);              // successfully fulfilled
                    //解除线程驻留，即唤醒线程继续工作
                    LockSupport.unpark(m.waiter);
                    //返回处理后的元素,take传入null返回数据e，put传入数据返回null
                    return (x != null) ? (E)x : e;
                }
            }
}

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    awaitFulfill方法，自旋或阻塞线程，直到满足s.item != e（传入的数据不是当前数据）

            /**
         * Spins/blocks until node s is fulfilled.
         *
         * @param s the waiting node 等待节点
         * @param e the comparison value for checking match 元素
         * @param timed true if timed wait 超时等待
         * @param nanos timeout value 超时值
         * @return matched item, or s if cancelled
         */
        Object awaitFulfill(QNode s, E e, boolean timed, long nanos) {
            /* Same idea as TransferStack.awaitFulfill */
            //计算超时时间，true则计算，false则就是0
            final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
           	//当前线程对象
            Thread w = Thread.currentThread();
            //计算需要自旋的次数
            //如果头节点的后继节点就是s当前节点,根据cpu核心线程数计算相关的次数（例如32*16=512次数）
            int spins = ((head.next == s) ?
                         (timed ? maxTimedSpins : maxUntimedSpins) : 0);
            //自旋
            for (;;) {
            	//判断中断标志，不会清除线程的状态标记
                if (w.isInterrupted())
                	// 尝试取消当前节点
                    s.tryCancel(e);
                // 获取当前节点的元素
                Object x = s.item;
                // 元素不相同，直接返回当前的元素（模式不匹配之后会将item由null变为e，由e变成null，unpark之后判断会成立返回x）
                if (x != e)
                    return x;
                // 如果设置了超时时间，判断超时时间
                if (timed) {
                	// 计算剩余时间
                    nanos = deadline - System.nanoTime();
                    // 剩余时间小于0
                    if (nanos <= 0L) {
                    	// 尝试取消当前节点
                        s.tryCancel(e);
                        // 继续下次循环
                        continue;
                    }
                }
                //自旋的次数大于0，执行次数自减操作
                //自旋次数用完之后，设置waiter为当前线程
                //其次判断没有设置超时，则直接进行阻塞park
                if (spins > 0)
                	//次数减1
                    --spins;
                else if (s.waiter == null)
                	//自旋次数用完之后，设置一下s的等待线程为当前线程
                    s.waiter = w;
                else if (!timed)
                	//没有设置超时，则直接进行阻塞
                    LockSupport.park(this);
                else if (nanos > spinForTimeoutThreshold)
                	// 超时时间大于1000L的时候，使用判断时间的阻塞（时间nanos大于0才会阻塞）
                    LockSupport.parkNanos(this, nanos);
            }
        }

void tryCancel(Object cmp) {
    // CAS将传入的变量设置为this
    UNSAFE.compareAndSwapObject(this, itemOffset, cmp, this);
}

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    非公平模式-TransferStack

    后进先出的栈结构，采用链表实现

    static final class SNode {
            volatile SNode next;        // next node in stack 后继节点
            volatile SNode match;       // the node matched to this  与之匹配成功的节点
            volatile Thread waiter;     // to control park/unpark 节点所属线程
            Object item;                // data; or null for REQUESTs 节点元素
            int mode;  //节点模式，DATA（put）和REQUEST（take）两种模式
            // Note: item and mode fields don't need to be volatile
            // since they are always written before, and read after,
            // other volatile/atomic operations.

            SNode(Object item) {
                this.item = item;
            }
            
            static SNode snode(SNode s, Object e, SNode next, int mode) {
            	//s节点为空构建
	            if (s == null) s = new SNode(e);
	            //指定s节点的后继和模式
	            s.mode = mode;
	            s.next = next;
	            return s;
        	}
}

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    重写transfer方法

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         * Puts or takes an item.
         */
        @SuppressWarnings("unchecked")
        E transfer(E e, boolean timed, long nanos) {
            /*
             * Basic algorithm is to loop trying one of three actions:
             *
             * 1. If apparently empty or already containing nodes of same
             *    mode, try to push node on stack and wait for a match,
             *    returning it, or null if cancelled.
             *
             * 2. If apparently containing node of complementary mode,
             *    try to push a fulfilling node on to stack, match
             *    with corresponding waiting node, pop both from
             *    stack, and return matched item. The matching or
             *    unlinking might not actually be necessary because of
             *    other threads performing action 3:
             *
             * 3. If top of stack already holds another fulfilling node,
             *    help it out by doing its match and/or pop
             *    operations, and then continue. The code for helping
             *    is essentially the same as for fulfilling, except
             *    that it doesn't return the item.
             */

            SNode s = null; // constructed/reused as needed
            //e为空REQUEST模式（take），e不为空DATA模式（put）
            int mode = (e == null) ? REQUEST : DATA;

			//自旋
            for (;;) {
            	//h指向头节点
                SNode h = head;
                //头节点为null说明栈为空 || 模式一样 压栈
                if (h == null || h.mode == mode) {  // empty or same-mode
                	//设置了超时时间并且时间小于等于0
                    if (timed && nanos <= 0) {      // can't wait
                    	//头节点不为空并且头节点被取消
                        if (h != null && h.isCancelled())
                            casHead(h, h.next);     // pop cancelled node
                        else
                        	//反之返回null
                            return null;
                    } else if (casHead(h, s = snode(s, e, h, mode))) {//没有设置超时，将s节点作为头节点，头节点作为s节点的后继，即压栈操作
                    	//压栈成功，则自旋并阻塞当前线程，等待解除阻塞返回匹配成功的节点
                        SNode m = awaitFulfill(s, timed, nanos);
                        //解除阻塞后，如果
                        if (m == s) {               // wait was cancelled
                            clean(s);
                            return null;
                        }
                        if ((h = head) != null && h.next == s)
                            casHead(h, s.next);     // help s's fulfiller
                        return (E) ((mode == REQUEST) ? m.item : s.item);
                    }
                } else if (!isFulfilling(h.mode)) { // try to fulfill 头节点模式mode，判断是否模式是否为FULFILLING，不为FULFILLING往下执行
                    if (h.isCancelled())            // already cancelled 头节点被取消
                        casHead(h, h.next);         // pop and retry 将头节点的下一个节点作为新的头节点
                    else if (casHead(h, s=snode(s, e, h, FULFILLING|mode))) {//没被取消，将模式为2的节点压栈，并作为新的头节点
                    	//自旋
                        for (;;) { // loop until matched or waiters disappear
                        	//s节点当前模式为2，s.next为匹配节点
                            SNode m = s.next;       // m is s's match
                            //m的节点为空
                            if (m == null) {        // all waiters are gone 所有等待线程都执行完了
                                casHead(s, null);   // pop fulfill node 如果s为头节点则重置s节点为null
                                s = null;           // use new node next time s节点指向空
                                break;              // restart main loop 退出for循环
                            }
                            //m节点的下一个
                            SNode mn = m.next;
                            if (m.tryMatch(s)) {
                                casHead(s, mn);     // pop both s and m
                                return (E) ((mode == REQUEST) ? m.item : s.item);
                            } else                  // lost match
                                s.casNext(m, mn);   // help unlink
                        }
                    }
                } else {                            // help a fulfiller 头节点模式是FULFILLING
                    SNode m = h.next;               // m is h's match
                    if (m == null)                  // waiter is gone
                        casHead(h, null);           // pop fulfilling node
                    else {
                        SNode mn = m.next;
                        if (m.tryMatch(h))          // help match
                            casHead(h, mn);         // pop both h and m
                        else                        // lost match
                            h.casNext(m, mn);       // help unlink
                    }
                }
            }
        }
		//m的取值可能为0|1|2，FULFILLING为2，要使判断成立，只能取2
		static boolean isFulfilling(int m) { return (m & FULFILLING) != 0; }

		//尝试匹配节点
		boolean tryMatch(SNode s) {
				//match为null && 修改SNode的match成员变量，这里的this指调此方法的节点对象，从null修改为入参s节点
                if (match == null &&
                    UNSAFE.compareAndSwapObject(this, matchOffset, null, s)) {
                     //获取调用此方法的对象的所属线程
                    Thread w = waiter;
                    if (w != null) {    // waiters need at most one unpark 所属线程不为空
                        waiter = null; //重置
                        LockSupport.unpark(w); //唤醒
                    }
                    return true; //匹配成功
                }
                return match == s;
         }

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    awaitFulfill方法自旋或阻塞线程，直到匹配成功

            /**
         * Spins/blocks until node s is matched by a fulfill operation.
         *
         * @param s the waiting node
         * @param timed true if timed wait
         * @param nanos timeout value
         * @return matched node, or s if cancelled
         */
        SNode awaitFulfill(SNode s, boolean timed, long nanos) {
        	//计算截止时间
            final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
            //获取当前线程对象
            Thread w = Thread.currentThread();
            //计算自旋次数，根据机器CPU核心线程数进行计算
            int spins = (shouldSpin(s) ?
                         (timed ? maxTimedSpins : maxUntimedSpins) : 0);
            //自旋
            for (;;) {
            	//判断中断标记不清除
                if (w.isInterrupted())
                	//尝试取消节点
                    s.tryCancel();
                //获取匹配节点
                SNode m = s.match;
                //判断匹配节点不为null则返回
                if (m != null)
                    return m;
                //如果设置了超时，计算剩余时间
                if (timed) {
                    nanos = deadline - System.nanoTime();
                    //剩余时间少于等于0，尝试取消节点
                    if (nanos <= 0L) {
                        s.tryCancel();
                        //下次继续循环
                        continue;
                    }
                }
                //判断自旋次数是否还有剩余
                if (spins > 0)
                	//
                    spins = shouldSpin(s) ? (spins-1) : 0;
                else if (s.waiter == null)
                	//自旋次数用完之后，设置所属线程
                    s.waiter = w; // establish waiter so can park next iter 
                else if (!timed)
                	//没有设置超时则park阻塞
                    LockSupport.park(this);
                else if (nanos > spinForTimeoutThreshold)
                	//超时时间大于1000L，使用判断时间的阻塞（时间nanos大于0才会阻塞）
                    LockSupport.parkNanos(this, nanos);
            }
        }

		boolean shouldSpin(SNode s) {
			//头节点
            SNode h = head;
            //头节点跟当前节点相同 || 头节点为null || 如果m的位设置满足则返回true
            return (h == s || h == null || isFulfilling(h.mode));
        }

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  • 原文地址：https://blog.csdn.net/IUNIQUE/article/details/125681637