前言
SynchronousQueue是一個比較特別的隊列，由於在線程池方面有所應用，爲了更好的理解線程池的實現原理，筆者花了些時間學習了一下該隊列源碼(JDK1.8)，此隊列源碼中充斥着大量的CAS語句，理解起來是有些難度的，爲了方便日後回顧，本篇文章會以簡潔的圖形化方式展示該隊列底層的實現原理。
SynchronousQueue簡單使用
經典的生產者-消費者模式，操作流程是這樣的：
有多個生產者，可以併發生產產品，把產品置入隊列中，如果隊列滿了，生產者就會阻塞；
有多個消費者，併發從隊列中獲取產品，如果隊列空了，消費者就會阻塞；
如下面的示意圖所示：
SynchronousQueue 也是一個隊列來的，但它的特別之處在於它內部沒有容器，一個生產線程，當它生產產品（即put的時候），如果當前沒有人想要消費產品(即當前沒有線程執行take)，此生產線程必須阻塞，等待一個消費線程調用take操作，take操作將會喚醒該生產線程，同時消費線程會獲取生產線程的產品（即數據傳遞），這樣的一個過程稱爲一次配對過程(當然也可以先take後put,原理是一樣的)。
我們用一個簡單的代碼來驗證一下，如下所示：
package com.concurrent;
import java.util.concurrent.SynchronousQueue;
public class SynchronousQueueDemo {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
final SynchronousQueue<Integer> queue = new SynchronousQueue<Integer>();
Thread putThread = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("put thread start");
try {
queue.put(1);
} catch (InterruptedException e) {
}
System.out.println("put thread end");
}
});
Thread takeThread = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("take thread start");
try {
System.out.println("take from putThread: " + queue.take());
} catch (InterruptedException e) {
}
System.out.println("take thread end");
}
});
putThread.start();
Thread.sleep(1000);
takeThread.start();
}
}一種輸出結果如下:
put thread start
take thread start
take from putThread: 1
put thread end
take thread end從結果可以看出，put線程執行queue.put(1) 後就被阻塞了，只有take線程進行了消費，put線程纔可以返回。可以認爲這是一種線程與線程間一對一傳遞消息的模型。
SynchronousQueue實現原理
不像ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingDeque之類的阻塞隊列依賴AQS實現併發操作，SynchronousQueue直接使用CAS實現線程的安全訪問。由於源碼中充斥着大量的CAS代碼，不易於理解，所以按照筆者的風格，接下來會使用簡單的示例來描述背後的實現模型。
隊列的實現策略通常分爲公平模式和非公平模式，接下來將分別進行說明。
公平模式下的模型：
公平模式下，底層實現使用的是TransferQueue這個內部隊列，它有一個head和tail指針，用於指向當前正在等待匹配的線程節點。
初始化時，TransferQueue的狀態如下：
接着我們進行一些操作：
1、線程put1執行 put(1)操作，由於當前沒有配對的消費線程，所以put1線程入隊列，自旋一小會後睡眠等待，這時隊列狀態如下：
2、接着，線程put2執行了put(2)操作，跟前面一樣，put2線程入隊列，自旋一小會後睡眠等待，這時隊列狀態如下：
3、這時候，來了一個線程take1，執行了 take操作，由於tail指向put2線程，put2線程跟take1線程配對了(一put一take)，這時take1線程不需要入隊，但是請注意了，這時候，要喚醒的線程並不是put2，而是put1。爲何？ 大家應該知道我們現在講的是公平策略，所謂公平就是誰先入隊了，誰就優先被喚醒，我們的例子明顯是put1應該優先被喚醒。至於讀者可能會有一個疑問，明明是take1線程跟put2線程匹配上了，結果是put1線程被喚醒消費，怎麼確保take1線程一定可以和次首節點(head.next)也是匹配的呢？其實大家可以拿個紙畫一畫，就會發現真的就是這樣的。
公平策略總結下來就是：隊尾匹配隊頭出隊。
執行後put1線程被喚醒，take1線程的 take()方法返回了1(put1線程的數據)，這樣就實現了線程間的一對一通信，這時候內部狀態如下：
4、最後，再來一個線程take2，執行take操作，這時候只有put2線程在等候，而且兩個線程匹配上了，線程put2被喚醒，
take2線程take操作返回了2(線程put2的數據)，這時候隊列又回到了起點，如下所示：
以上便是公平模式下，SynchronousQueue的實現模型。總結下來就是：隊尾匹配隊頭出隊，先進先出，體現公平原則。
非公平模式下的模型：
我們還是使用跟公平模式下一樣的操作流程，對比兩種策略下有何不同。非公平模式底層的實現使用的是TransferStack，
一個棧，實現中用head指針指向棧頂，接着我們看看它的實現模型:
1、線程put1執行 put(1)操作，由於當前沒有配對的消費線程，所以put1線程入棧，自旋一小會後睡眠等待，這時棧狀態如下：
2、接着，線程put2再次執行了put(2)操作，跟前面一樣，put2線程入棧，自旋一小會後睡眠等待，這時棧狀態如下：
3、這時候，來了一個線程take1，執行了take操作，這時候發現棧頂爲put2線程，匹配成功，但是實現會先把take1線程入棧，然後take1線程循環執行匹配put2線程邏輯，一旦發現沒有併發衝突，就會把棧頂指針直接指向 put1線程
4、最後，再來一個線程take2，執行take操作，這跟步驟3的邏輯基本是一致的，take2線程入棧，然後在循環中匹配put1線程，最終全部匹配完畢，棧變爲空，恢復初始狀態，如下圖所示：
可以從上面流程看出，雖然put1線程先入棧了，但是卻是後匹配，這就是非公平的由來。
總結
SynchronousQueue由於其獨有的線程一一配對通信機制，在大部分平常開發中，可能都不太會用到，但線程池技術中會有所使用，由於內部沒有使用AQS，而是直接使用CAS，所以代碼理解起來會比較困難，但這並不妨礙我們理解底層的實現模型，在理解了模型的基礎上，有興趣的話再查閱源碼，就會有方向感，看起來也會比較容易，希望本文有所借鑑意義。
