这是我参与11月更文挑战的第6天，活动详情查看：2021最后一次更文挑战
前言
本文继续讲解SynchronousQueue队列的公平策略下的内部实现，不废话，直接看源码。
内部实现类
公平策略下的实现类TransferQueue。
TransferQueue
基于Transferer实现公平策略下的实现类TransferQueue，公平策略需要先进先出，这里queue也表明其结构特点，内部通过QNode类实现链表的队列形态，通过CAS操作更新链表元素。
有两种状态需要注意：
取消操作（被外部中断或者超时）：item == this;
出队操作（已成功匹配，找到互补操作）：next == this;
构造方法
头尾节点初始化操作
TransferQueue() {
// 初始化一个值为null的QNode，初始化头尾节点
QNode h = new QNode(null, false); // initialize to dummy node.
head = h;
tail = h;
}
复制代码QNode
QNode即为队列的链表实现，其中的变量属性isData也可以看出其保存的是每次的操作动作而不仅仅是入队的值，入队操作会以QNode保存，出队操作同样会以QNode保存，同时变量都是通过CAS操作更新
static final class QNode {
// next指向链表下一个节点
volatile QNode next;
// 队列元素的值
volatile Object item;
// 保存等待的线程
volatile Thread waiter;
// 是否有数据，队列元素的类型标识，入队时有数据值为true，出队时无数据值为false
final boolean isData;
QNode(Object item, boolean isData) {
this.item = item;
this.isData = isData;
}
// cas操作更新next
boolean casNext(QNode cmp, QNode val) {
return next == cmp &&
UNSAFE.compareAndSwapObject(this, nextOffset, cmp, val);
}
// cas操作更新item
boolean casItem(Object cmp, Object val) {
return item == cmp &&
UNSAFE.compareAndSwapObject(this, itemOffset, cmp, val);
}
// cas操作取消，把此时的QNode的item赋值为当前的QNode
void tryCancel(Object cmp) {
UNSAFE.compareAndSwapObject(this, itemOffset, cmp, this);
}
// 判断是否取消成功，然后tryCancel操作后进行判断
boolean isCancelled() {
return item == this;
}
// 判断当前节点是否已处于离队状态，这里看到是将节点next指向自己
boolean isOffList() {
return next == this;
}
// 获取item和next的偏移量,操作CAS使用
// Unsafe mechanics
private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
private static final long itemOffset;
private static final long nextOffset;
static {
try {
UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
Class<?> k = QNode.class;
itemOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
(k.getDeclaredField("item"));
nextOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
(k.getDeclaredField("next"));
} catch (Exception e) {
throw new Error(e);
}
}
}
复制代码变量
队头队尾元素引用设置，需要注意的是cleanMe节点的含义，在具体方法操作中会进行说明
/** Head of queue */
// 队头
transient volatile QNode head;
/** Tail of queue */
// 队尾
transient volatile QNode tail;
/**
* Reference to a cancelled node that might not yet have been
* unlinked from queue because it was the last inserted node
* when it was cancelled.
*/
// 标记节点，清理链表尾部节点时，不直接删除尾部节点，而是将尾节点的前驱节点next指向设置为cleanMe
// 防止此时向尾部插入节点的线程失败导致出现数据问题
transient volatile QNode cleanMe;
// 偏移量获取
private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
private static final long headOffset;
private static final long tailOffset;
private static final long cleanMeOffset;
static {
try {
UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
Class<?> k = TransferQueue.class;
headOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
(k.getDeclaredField("head"));
tailOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
(k.getDeclaredField("tail"));
cleanMeOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
(k.getDeclaredField("cleanMe"));
} catch (Exception e) {
throw new Error(e);
}
}
复制代码CAS操作
CAS更新变量操作
/**
* Tries to cas nh as new head; if successful, unlink
* old head's next node to avoid garbage retention.
*/
// 尝试将nh更新为新的队头
void advanceHead(QNode h, QNode nh) {
if (h == head &&
UNSAFE.compareAndSwapObject(this, headOffset, h, nh))
// 原头节点next指向更新为自己，使得h为离队状态，isOffList方法为true
h.next = h; // forget old next
}
/**
* Tries to cas nt as new tail.
*/
// 尝试更新队尾节点
void advanceTail(QNode t, QNode nt) {
if (tail == t)
UNSAFE.compareAndSwapObject(this, tailOffset, t, nt);
}
/**
* Tries to CAS cleanMe slot.
*/
// 尝试更新cleanMe节点
boolean casCleanMe(QNode cmp, QNode val) {
return cleanMe == cmp &&
UNSAFE.compareAndSwapObject(this, cleanMeOffset, cmp, val);
}
复制代码transfer
入队和出队操作，统一使用一个方法，即实现接口中的transfer方法来完成，需要明白的是保存的是每次操作这个动作
/**
* Puts or takes an item.
*/
@SuppressWarnings("unchecked")
E transfer(E e, boolean timed, long nanos) {
QNode s = null; // constructed/reused as needed
// e为null时相当于出队操作isData为false,入队操作为true
boolean isData = (e != null);
for (;;) {
// 获取最新的尾节点和头节点
QNode t = tail;
QNode h = head;
// 头，尾节点为空，未初始化，则循环spin
if (t == null || h == null) // saw uninitialized value
continue; // spin
// 首尾节点相同则为空队列或尾节点类型和新操作的类型相同，都是入队操作或出队操作
// 为何只判断尾部，因为如果头节点和尾结点不同在队列中不可能存在
// 一入队和一出队直接进入else匹配上不会再保存在链表中
if (h == t || t.isData == isData) { // empty or same-mode
QNode tn = t.next;
// 尾节点已经被其他线程更新修改，则重新循环判断
if (t != tail) // inconsistent read
continue;
// tn非空，说明其他线程已经添加了节点，尝试更新尾节点，重新循环判断
if (tn != null) { // lagging tail
advanceTail(t, tn);
continue;
}
// 设置超时时间并且超时时间小于等于0则直接返回null
if (timed && nanos <= 0) // can't wait
return null;
// s为null则初始化节点s
if (s == null)
s = new QNode(e, isData);
// 尝试将s添加到尾节点的next上，失败则重新循环
if (!t.casNext(null, s)) // failed to link in
continue;
// 尝试更新尾节点，尾节点此时为s
advanceTail(t, s); // swing tail and wait
// 通过awaitFulfill方法自旋阻塞找到匹配操作的节点item,这个下面进行说明
Object x = awaitFulfill(s, e, timed, nanos);
// 表示当前线程已经中断或者超时，在awaitFulfill超时或者中断时更新s.item指向自己
if (x == s) { // wait was cancelled
// 清理节点，取消本次操作
clean(t, s);
return null;
}
// 判断s是否已从队列移除，正常情况下，出队和入队操作匹配上s节点肯定是需要被清理掉的
if (!s.isOffList()) { // not already unlinked
// 未被从队列清除则尝试更新队头
advanceHead(t, s); // unlink if head
// 当前线程为出队操作时，s节点取消操作
if (x != null) // and forget fields
s.item = s;
// 清除等待线程
s.waiter = null;
}
return (x != null) ? (E)x : e;
// 与上次队列操作非同一类型操作，上次入队，这次为出队，上次出队，这次为入队才会执行
// 匹配操作才会执行下面逻辑
} else { // complementary-mode
QNode m = h.next; // node to fulfill
// 头节点或尾节点被其他线程更新或者为空队列则循环操作
if (t != tail || m == null || h != head)
continue; // inconsistent read
// 头节点的下一个节点对应的item
Object x = m.item;
// 同类型，被取消操作或更新item失败则更新头节点指向重新操作
if (isData == (x != null) || // m already fulfilled 相同类型操作说明m已经被其他线程操作匹配
x == m || // m cancelled 取消操作标识
// CAS更新item为匹配上的操作值，比如当前是出队操作，m为入队操作x为入队的值，那么此时要替换为出队值null
// CAS操作失败
!m.casItem(x, e)) { // lost CAS
// 删除匹配上的头节点，更新头节点
advanceHead(h, m); // dequeue and retry
continue;
}
// 更新头节点
advanceHead(h, m); // successfully fulfilled
// 释放m的等待线程锁使得m操作结束
LockSupport.unpark(m.waiter);
return (x != null) ? (E)x : e;
}
}
}
复制代码awaitFulfill
在transfer相同类型操作时被调用，正常情况下（不算超时和中断）阻塞线程直到与之匹配的操作到来再继续执行。例如此时是入队操作，上次也是入队操作，在未设置超时时，这里可能需要自旋或阻塞等待一个出队操作来唤醒本次入队操作。
// 自旋或阻塞直到超时或被唤醒匹配上节点
Object awaitFulfill(QNode s, E e, boolean timed, long nanos) {
// 获取超时时间点
final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
// 当前线程
Thread w = Thread.currentThread();
// 仅在head.next==s时才使用spins(自旋次数)，同时判断是否设置了超时
// 非head.next则不走spins，相当于只是在第一次操作入链表时执行自旋spins操作，不是上来就进行阻塞
int spins = ((head.next == s) ?
(timed ? maxTimedSpins : maxUntimedSpins) : 0);
for (;;) {
// 判断当前线程是否中断，外部中断操作，相当于取消本次操作
if (w.isInterrupted())
// 尝试将s节点的item设置为s自己，这样判断的时候就知道这个节点是被取消的
s.tryCancel(e);
Object x = s.item;
// s的item已经改变，直接返回x
// 没改变的情况下即没有匹配的操作，有匹配上的item即x将被改变，取消时如上也会改变，如下超时也会改变。return后要区分出取消和超时的情况
if (x != e)
return x;
// 线程超时将s节点的item设置为s自己
if (timed) {
nanos = deadline - System.nanoTime();
if (nanos <= 0L) {
s.tryCancel(e);
continue;
}
}
// 需要自旋时循环
if (spins > 0)
--spins;
// 设置s的等待线程
else if (s.waiter == null)
s.waiter = w;
// 未设置超时，直接阻塞
else if (!timed)
LockSupport.park(this);
// 设置超时时间阻塞
else if (nanos > spinForTimeoutThreshold)
LockSupport.parkNanos(this, nanos);
}
}
复制代码clean方法
整体处理过程如下：
如果删除的不是尾节点，则用pred.casNext(s, s.next) 方式来进行清理；
如果删除的是队尾节点，若cleanMe为空，则将其前继节点pred更新为cleanMe, 为下次删除做准备；
如果cleanMe不为空，则根据cleanMe删除上次需要删除的节点, 然后将cleanMe置空, 如果此次pred非之前cleanMe，则cleanMe置为pred，为下一次删除操作做准备。
// 中断取消操作将pred节点代替s节点，修改前后节点之间的关联
void clean(QNode pred, QNode s) {
// 清理前先将等待线程置空
s.waiter = null; // forget thread
// pred与s的前后关系
while (pred.next == s) { // Return early if already unlinked
QNode h = head;
QNode hn = h.next; // Absorb cancelled first node as head
// hn非空且被取消操作，更新头节点为hn
if (hn != null && hn.isCancelled()) {
advanceHead(h, hn);
continue;
}
// 尾节点
QNode t = tail; // Ensure consistent read for tail
// 空队列返回
if (t == h)
return;
// 尾节点下一个
QNode tn = t.next;
// 尾节点已被其他线程更新
if (t != tail)
continue;
// 非空 更新尾节点
if (tn != null) {
advanceTail(t, tn);
continue;
}
// s不是尾节点
if (s != t) { // If not tail, try to unsplice
// s的下一个节点
QNode sn = s.next;
// 更新pred节点后一个节点为s的下一个节点，相当于删除s在链表中的关系
if (sn == s || pred.casNext(s, sn))
return;
}
// 执行到这里说明s为尾节点则需要处理cleanMe节点
QNode dp = cleanMe;
if (dp != null) { // Try unlinking previous cancelled node
// 被清除的节点，从下面else部分代码也可以看出如果为空，传入的节点为清理节点的前一个节点
// 这里代表上次需要清理的cleanMe节点
// 这里d代表真正需要清理的节点即dp.next
QNode d = dp.next;
QNode dn;
if (d == null || // 清除节点为null，相当于已经清理了
d == dp || // dp节点处于离队状态
!d.isCancelled() || // 清除节点被取消
(d != t && // 清除节点非尾节点
(dn = d.next) != null && // 清除节点下一节点非null
dn != d && // 清除节点下一节点在队列中
dp.casNext(d, dn))) // 清理d与其他节点的关系
casCleanMe(dp, null); // 清理完毕设置为null
// 相当于s为需要清理的节点，上边已经清理过了，不需要再次清理
if (dp == pred)
return; // s is already saved node
// 更新cleanMe为pred，为下次清理准备
} else if (casCleanMe(null, pred))
return; // Postpone cleaning s
}
}
复制代码