java阻塞队列和非阻塞队列的区别（Java阻塞队列中的异类，SynchronousQueue底层实现原理剖析）

时间2025-05-04 16:51:38分类IT科技浏览6267

导读：上篇文章谈到BlockingQueue的使用场景，并重点分析了ArrayBlockingQueue的实现原理，了解到ArrayBlockingQueue底层是基于数组实现的阻塞队列。...

上篇文章谈到BlockingQueue的使用场景，并重点分析了ArrayBlockingQueue的实现原理，了解到ArrayBlockingQueue底层是基于数组实现的阻塞队列。

但是BlockingQueue的实现类中，有一种阻塞队列比较特殊，就是SynchronousQueue（同步移交队列），队列长度为0 。

作用就是一个线程往队列放数据的时候，必须等待另一个线程从队列中取走数据。同样，从队列中取数据的时候，必须等待另一个线程往队列中放数据。

这样特殊的队列，有什么应用场景呢？

1. SynchronousQueue用法

先看一个SynchronousQueue的简单用例：

/** * @author 一灯架构 * @apiNote SynchronousQueue示例 **/ public class SynchronousQueueDemo { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { // 1. 创建SynchronousQueue队列 BlockingQueue<Integer> synchronousQueue = new SynchronousQueue<>(); // 2. 启动一个线程，往队列中放3个元素 new Thread(() -> { try { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 入队列 1"); synchronousQueue.put(1); Thread.sleep(1); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 入队列 2"); synchronousQueue.put(2); Thread.sleep(1); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 入队列 3"); synchronousQueue.put(3); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }).start(); // 3. 等待1000毫秒 Thread.sleep(1000L); // 4. 再启动一个线程，从队列中取出3个元素 new Thread(() -> { try { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 出队列 " + synchronousQueue.take()); Thread.sleep(1); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 出队列 " + synchronousQueue.take()); Thread.sleep(1); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 出队列 " + synchronousQueue.take()); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }).start(); } }

输出结果：

Thread-0 入队列 1 Thread-1 出队列 1 Thread-0 入队列 2 Thread-1 出队列 2 Thread-0 入队列 3 Thread-1 出队列 3

从输出结果中可以看到，第一个线程Thread-0往队列放入一个元素1后，就被阻塞了。直到第二个线程Thread-1从队列中取走元素1后，Thread-0才能继续放入第二个元素2 。

由于SynchronousQueue是BlockingQueue的实现类，所以也实现类BlockingQueue中几组抽象方法：

为了满足不同的使用场景，BlockingQueue设计了很多的放数据和取数据的方法。

操作抛出异常返回特定值阻塞阻塞一段时间放数据 add offer put offer(e, time, unit) 取数据 remove poll take poll(time, unit) 查看数据（不删除） element() peek() 不支持不支持

这几组方法的不同之处就是：

当队列满了，再往队列中放数据，add方法抛异常，offer方法返回false ，put方法会一直阻塞（直到有其他线程从队列中取走数据），offer(e, time, unit)方法阻塞指定时间然后返回false 。当队列是空，再从队列中取数据，remove方法抛异常，poll方法返回null ，take方法会一直阻塞（直到有其他线程往队列中放数据），poll(time, unit)方法阻塞指定时间然后返回null 。当队列是空，再去队列中查看数据（并不删除数据），element方法抛异常，peek方法返回null 。

工作中使用最多的就是offer 、poll阻塞指定时间的方法。

2. SynchronousQueue应用场景

SynchronousQueue的特点：

队列长度是0 ，一个线程往队列放数据，必须等待另一个线程取走数据。同样，一个线程从队列中取数据，必须等待另一个线程往队列中放数据。

这种特殊的实现逻辑有什么应用场景呢？

我的理解就是，如果你希望你的任务需要被快速处理，就可以使用这种队列。

Java线程池中的newCachedThreadPool（带缓存的线程池）底层就是使用SynchronousQueue实现的。

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

newCachedThreadPool线程池的核心线程数是0 ，最大线程数是Integer的最大值，线程存活时间是60秒。

如果你使用newCachedThreadPool线程池，你提交的任务会被更快速的处理，因为你每次提交任务，都会有一个空闲的线程等着处理任务。如果没有空闲的线程，也会立即创建一个线程处理你的任务。

你想想，这处理效率，杠杠滴！

当然也有弊端，如果你提交了太多的任务，导致创建了大量的线程，这些线程都在竞争CPU时间片，等待CPU调度，处理任务速度也会变慢，所以在使用过程中也要综合考虑。

3. SynchronousQueue源码解析

3.1 SynchronousQueue类属性

public class SynchronousQueue<E> extends AbstractQueue<E> implements BlockingQueue<E> { // 转换器，取数据和放数据的核心逻辑都在这个类里面 private transient volatile Transferer<E> transferer; // 默认的构造方法（使用非公平队列） public SynchronousQueue() { this(false); } // 有参构造方法，可以指定是否使用公平队列 public SynchronousQueue(boolean fair) { transferer = fair ? new TransferQueue<E>() : new TransferStack<E>(); } // 转换器实现类 abstract static class Transferer<E> { abstract E transfer(E e, boolean timed, long nanos); } // 基于栈实现的非公平队列 static final class TransferStack<E> extends Transferer<E> { } // 基于队列实现的公平队列 static final class TransferQueue<E> extends Transferer<E> { } }

可以看到SynchronousQueue默认的无参构造方法，内部使用的是基于栈实现的非公平队列，当然也可以调用有参构造方法，传参是true ，使用基于队列实现的公平队列。

// 使用非公平队列（基于栈实现） BlockingQueue<Integer> synchronousQueue = new SynchronousQueue<>(); // 使用公平队列（基于队列实现） BlockingQueue<Integer> synchronousQueue = new SynchronousQueue<>(true);

本次就常用的栈实现来剖析SynchronousQueue的底层实现原理。

3.2 栈底层结构

栈结构，是非公平的，遵循先进后出。

使用个case测试一下：

/** * @author 一灯架构 * @apiNote SynchronousQueue示例 **/ public class SynchronousQueueDemo { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { // 1. 创建SynchronousQueue队列 SynchronousQueue<Integer> synchronousQueue = new SynchronousQueue<>(); // 2. 启动一个线程，往队列中放1个元素 new Thread(() -> { try { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 入队列 0"); synchronousQueue.put(0); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }).start(); // 3. 等待1000毫秒 Thread.sleep(1000L); // 4. 启动一个线程，往队列中放1个元素 new Thread(() -> { try { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 入队列 1"); synchronousQueue.put(1); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }).start(); // 5. 等待1000毫秒 Thread.sleep(1000L); // 6. 再启动一个线程，从队列中取出1个元素 new Thread(() -> { try { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 出队列 " + synchronousQueue.take()); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }).start(); // 7. 等待1000毫秒 Thread.sleep(1000L); // 8. 再启动一个线程，从队列中取出1个元素 new Thread(() -> { try { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 出队列 " + synchronousQueue.take()); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }).start(); } }

输出结果：

Thread-0 入队列 0 Thread-1 入队列 1 Thread-2 出队列 1 Thread-3 出队列 0

从输出结果中可以看出，符合栈结构先进后出的顺序。

3.3 栈节点源码

栈中的数据都是由一个个的节点组成的，先看一下节点类的源码：

// 节点 static final class SNode { // 节点值（取数据的时候，该字段为null） Object item; // 存取数据的线程 volatile Thread waiter; // 节点模式 int mode; // 匹配到的节点 volatile SNode match; // 后继节点 volatile SNode next; }

item

节点值，只在存数据的时候用。取数据的时候，这个值是null 。

waiter

存取数据的线程，如果没有对应的接收线程，这个线程会被阻塞。

mode

节点模式，共有3种类型：

类型值类型描述类型的作用 0 REQUEST 表示取数据 1 DATA 表示存数据 2 FULFILLING 表示正在等待执行（比如取数据的线程，等待其他线程放数据）

3.4 put/take流程

放数据和取数据的逻辑，在底层复用的是同一个方法，以put/take方法为例，另外两个放数据的方法，add和offer方法底层实现是一样的。

先看一下数据流转的过程，方便理解源码。

还是以上面的case为例：

Thread0先往SynchronousQueue队列中放入元素0 Thread1再往SynchronousQueue队列放入元素1 Thread2从SynchronousQueue队列中取出一个元素

第一步：Thread0先往SynchronousQueue队列中放入元素0

把本次操作组装成SNode压入栈顶，item是元素0，waiter是当前线程Thread0 ，mode是1表示放入数据。

第二步：Thread1再往SynchronousQueue队列放入元素1

把本次操作组装成SNode压入栈顶，item是元素1，waiter是当前线程Thread1 ，mode是1表示放入数据，next是SNode0 。

第三步：Thread2从SynchronousQueue队列中取出一个元素

这次的操作比较复杂，也是先把本次的操作包装成SNode压入栈顶。

item是null（取数据的时候，这个字段没有值），waiter是null（当前线程Thread2正在操作，所以不用赋值了），mode是2表示正在操作（即将跟后继节点进行匹配），next是SNode1。

然后，Thread2开始把栈顶的两个节点进行匹配，匹配成功后，就把SNode2赋值给SNode1的match属性，唤醒SNode1中的Thread1线程，然后弹出SNode2节点和SNode1节点。

3.5 put/take源码实现

看完了put/take流程，再来看源码就简单多了。

先看一下put方法源码：

// 放数据 public void put(E e) throws InterruptedException { // 不允许放null元素 if (e == null) throw new NullPointerException(); // 调用转换器实现类，放元素 if (transferer.transfer(e, false, 0) == null) { // 如果放数据失败，就中断当前线程，并抛出异常 Thread.interrupted(); throw new InterruptedException(); } }

核心逻辑都在transfer方法中，代码很长，理清逻辑后，也很容易理解。

// 取数据和放数据操作，共用一个方法 E transfer(E e, boolean timed, long nanos) { SNode s = null; // e为空，说明是取数据，否则是放数据 int mode = (e == null) ? REQUEST : DATA; for (; ; ) { SNode h = head; // 1. 如果栈顶节点为空，或者栈顶节点类型跟本次操作相同（都是取数据，或者都是放数据） if (h == null || h.mode == mode) { // 2. 判断节点是否已经超时 if (timed && nanos <= 0) { // 3. 如果栈顶节点已经被取消，就删除栈顶节点 if (h != null && h.isCancelled()) casHead(h, h.next); else return null; // 4. 把本次操作包装成SNode ，压入栈顶 } else if (casHead(h, s = snode(s, e, h, mode))) { // 5. 挂起当前线程，等待被唤醒 SNode m = awaitFulfill(s, timed, nanos); // 6. 如果这个节点已经被取消，就删除这个节点 if (m == s) { clean(s); return null; } // 7. 把s.next设置成head if ((h = head) != null && h.next == s) casHead(h, s.next); return (E) ((mode == REQUEST) ? m.item : s.item); } // 8. 如果栈顶节点类型跟本次操作不同，并且不是FULFILLING类型 } else if (!isFulfilling(h.mode)) { // 9. 再次判断如果栈顶节点已经被取消，就删除栈顶节点 if (h.isCancelled()) casHead(h, h.next); // 10. 把本次操作包装成SNode（类型是FULFILLING），压入栈顶 else if (casHead(h, s = snode(s, e, h, FULFILLING | mode))) { // 11. 使用死循环，直到匹配到对应的节点 for (; ; ) { // 12. 遍历下个节点 SNode m = s.next; // 13. 如果节点是null ，表示遍历到末尾，设置栈顶节点是null ，结束。 if (m == null) { casHead(s, null); s = null; break; } SNode mn = m.next; // 14. 如果栈顶的后继节点跟栈顶节点匹配成功，就删除这两个节点，结束。 if (m.tryMatch(s)) { casHead(s, mn); return (E) ((mode == REQUEST) ? m.item : s.item); } else // 15. 如果没有匹配成功，就删除栈顶的后继节点，继续匹配 s.casNext(m, mn); } } } else { // 16. 如果栈顶节点类型跟本次操作不同，并且是FULFILLING类型， // 就再执行一遍上面第11步for循环中的逻辑（很少概率出现） SNode m = h.next; if (m == null) casHead(h, null); else { SNode mn = m.next; if (m.tryMatch(h)) casHead(h, mn); else h.casNext(m, mn); } } } }

transfer方法逻辑也很简单，就是判断本次操作类型是否跟栈顶节点相同，如果相同，就把本次操作压入栈顶。否则就跟栈顶节点匹配，唤醒栈顶节点线程，弹出栈顶节点。

transfer方法中调用了awaitFulfill方法，作用是挂起当前线程。

// 等待被唤醒 SNode awaitFulfill(SNode s, boolean timed, long nanos) { // 1. 计算超时时间 final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L; Thread w = Thread.currentThread(); // 2. 计算自旋次数 int spins = (shouldSpin(s) ? (timed ? maxTimedSpins : maxUntimedSpins) : 0); for (;;) { if (w.isInterrupted()) s.tryCancel(); // 3. 如果已经匹配到其他节点，直接返回 SNode m = s.match; if (m != null) return m; if (timed) { // 4. 超时时间递减 nanos = deadline - System.nanoTime(); if (nanos <= 0L) { s.tryCancel(); continue; } } // 5. 自旋次数减一 if (spins > 0) spins = shouldSpin(s) ? (spins-1) : 0; else if (s.waiter == null) s.waiter = w; // 6. 开始挂起当前线程 else if (!timed) LockSupport.park(this); else if (nanos > spinForTimeoutThreshold) LockSupport.parkNanos(this, nanos); } }

awaitFulfill方法的逻辑也很简单，就是挂起当前线程。

take方法底层使用的也是transfer方法：

// 取数据 public E take() throws InterruptedException { // // 调用转换器实现类，取数据 E e = transferer.transfer(null, false, 0); if (e != null) return e; // 没取到，就中断当前线程 Thread.interrupted(); throw new InterruptedException(); }

4. 总结

SynchronousQueue是一种特殊的阻塞队列，队列长度是0 ，一个线程往队列放数据，必须等待另一个线程取走数据。同样，一个线程从队列中取数据，必须等待另一个线程往队列中放数据。 SynchronousQueue底层是基于栈和队列两种数据结构实现的。 Java线程池中的newCachedThreadPool（带缓存的线程池）底层就是使用SynchronousQueue实现的。如果希望你的任务需要被快速处理，可以使用SynchronousQueue队列。

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