最近在阅读开源项目里,发现有几个工程都不尽相同地使用LinkedTransferQueue这个数据结构。比如netty,grizzly,xmemcache,Bonecp。Bonecp还扩展出一个BoundTransferQueue。

LinkedTransferQueue最早出现在JSR66R(一个轻量级并行执行框架)包中,目前已合并到JDK7中。JSR66的负责人正是大名顶顶的Doug Lea.

虽然LinkedTransferQueue被集成在JDK7中,但目前主流的JDK平台仍然是JDK6。以致开源项目开发者都不迫及地把他集成在自已的项目中。

Doug Lea说LinkedTransferQueue是一个聪明的队列,他是ConcurrentLinkedQueue,

SynchronousQueue (in “fair” mode), and unbounded LinkedBlockingQueue的超集。

有一篇论文讨论了其算法与性能: 地址: http://www.cs.rice.edu/~wns1/papers/2006-PPoPP-SQ.pdf

LinkedTransferQueue实现了一个重要的接口TransferQueue,该接口含有下面几个重要方法:

  1. transfer(E e)

若当前存在一个正在等待获取的消费者线程,即立刻移交之;否则,会插入当前元素e到队列尾部,并且等待进入阻塞状态,到有消费者线程取走该元素。

  1. tryTransfer(E e)

若当前存在一个正在等待获取的消费者线程(使用take()或者poll()函数),使用该方法会即刻转移/传输对象元素e;

若不存在,则返回false,并且不进入队列。这是一个不阻塞的操作。

  1. tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit)

若当前存在一个正在等待获取的消费者线程,会立即传输给它; 否则将插入元素e到队列尾部,并且等待被消费者线程获取消费掉,

若在指定的时间内元素e无法被消费者线程获取,则返回false,同时该元素被移除。

  1. hasWaitingConsumer()

判断是否存在消费者线程

  1. getWaitingConsumerCount()

获取所有等待获取元素的消费线程数量

其实transfer方法在SynchronousQueue的实现中就已存在了,只是没有做为API暴露出来。SynchronousQueue有一个特性:它本身不存在容量,只能进行线程之间的

元素传送。SynchronousQueue在执行offer操作时,如果没有其他线程执行poll,则直接返回false.线程之间元素传送正是通过transfer方法完成的。

有一个使用案例,我们知道ThreadPoolExecutor调节线程的原则是: 先调整到最小线程,最小线程用完后,他会将优先将任务放入缓存队列(offer(task)),等缓冲队列用完了,才会向最大线程数调节。这似乎与我们所理解的线程池模型有点不同。我们一般采用增加到最大线程后,才会放入缓冲队列中,以达到最大性能。ThreadPoolExecutor代码片段:

public void execute(Runnable command) {

if (command == null)

throw new NullPointerException();

if (poolSize >= corePoolSize || !addIfUnderCorePoolSize(command)) {

if (runState == RUNNING && workQueue.offer(command)) {

if (runState != RUNNING || poolSize == 0)

ensureQueuedTaskHandled(command);

}

else if (!addIfUnderMaximumPoolSize(command))

reject(command); // is shutdown or saturated

}

}

如果我们采用SynchronousQueue作为ThreadPoolExecuto的缓冲队列时,在没有线程执行poll时(即存在等待线程),则workQueue.offer(command)返回false,这时ThreadPoolExecutor就会增加线程,最快地达到最大线程数。但也仅此而已,也因为SynchronousQueue本身不存在容量,也决定了我们一般无法采用SynchronousQueue作为ThreadPoolExecutor的缓存队列。而一般采用LinkedBlockingQueue的offer方法来实现。最新的LinkedTransferQueue也许可以帮我们解决这个问题,后面再说。

transfer算法比较复杂,实现很难看明白。大致的理解是采用所谓双重数据结构(dual data structures)。之所以叫双重,其原因是方法都是通过两个步骤完成:

保留与完成。比如消费者线程从一个队列中取元素,发现队列为空,他就生成一个空元素放入队列,所谓空元素就是数据项字段为空。然后消费者线程在这个字段上旅转等待。这叫保留。直到一个生产者线程意欲向队例中放入一个元素,这里他发现最前面的元素的数据项字段为NULL,他就直接把自已数据填充到这个元素中,即完成了元素的传送。大体是这个意思,这种方式优美了完成了线程之间的高效协作。

对于LinkedTransferQueue,Doug Lea进行了尽乎极致的优化。Grizzly的采用了PaddedAtomicReference:

public LinkedTransferQueue() {

QNode dummy = new QNode(null, false);

head = new PaddedAtomicReference(dummy);

tail = new PaddedAtomicReference(dummy);

cleanMe = new PaddedAtomicReference(null);

}

static final class PaddedAtomicReference extends AtomicReference {        // enough padding for 64bytes with 4byte refs

Object p0, p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7, p8, p9, pa, pb, pc, pd, pe;

PaddedAtomicReference(T r) { super(r); }

}

PaddedAtomicReference相对于父类AtomicReference只做了一件事情,就将共享变量追加到64字节。我们可以来计算下,一个对象的引用占4个字节,

它追加了15个变量共占60个字节,再加上父类的Value变量,一共64个字节。这么做的原因。请参考http://www.infoq.com/cn/articles/ftf-java-volatile

http://rdc.taobao.com/team/jm/archives/1719 这两文章。做JAVA,如果想成为Doug Lea这样的大师,也要懂体系结构(待续)

<a href="http://ifeve.com/java-transfer-queue/">Java 7中的TransferQueue</a>

http://guojuanjun.blog.51cto.com/277646/948298