简介： JUC 工具包是 JAVA 并发编程的利器。本文讲述在没有 JUC 工具包帮助下，借助原生的 JAVA 同步原语, 如何实现一个公平有界的阻塞队列。希望你也能在文后体会到并发编程的复杂之处，以及 JUC 工具包的强。

作者 | 李新然
来源 | 阿里技术公众号

一 背景

JUC 工具包是 JAVA 并发编程的利器。

本文讲述在没有 JUC 工具包帮助下，借助原生的 JAVA 同步原语, 如何实现一个公平有界的阻塞队列。

希望你也能在文后体会到并发编程的复杂之处，以及 JUC 工具包的强大。

二 方法

本文使用到的基本工具：

1. 同步监听器 synchronized ，方法基本和代码块级别；
2. Object 基础类的 wait, notify, notifyAll；

基于以上基础工具，实现公平有界的阻塞队列，此处：

1. 将公平的定义限定为 FIFO ，也就是先阻塞等待的请求，先解除等待；
2. 并不保证解除等待后执行 Action 的先后顺序；
3. 确保队列的大小始终不超过设定的容量；但阻塞等待的请求数不做限制；

三 实现

1 基础版本

首先，考虑在非并发场景下，借助 ADT 实现一个基础版本

interface Queue {boolean offer(Object obj);Object poll();}
class FairnessBoundedBlockingQueue implements Queue {// 当前大小protected int size;// 容量protected final int capacity;// 头指针，empty: head.next == tail == nullprotected Node head;// 尾指针protected Node tail;public FairnessBoundedBlockingQueue(int capacity) {this.capacity = capacity;this.head = new Node(null);this.tail = head;this.size = 0;}// 如果队列已满，通过返回值标识public boolean offer(Object obj) {if (size < capacity) {Node node = new Node(obj);tail.next = node;tail = node;++size;return true;}return false;}// 如果队列为空，head.next == null；返回空元素public Object poll() {if (head.next != null) {Object result = head.next.value;head.next.value = null;head = head.next; // 丢弃头结点--size;return result;}return null;}class Node {Object value;Node next;Node(Object obj) {this.value = obj;next = null;}}
}

以上

1. 定义支持队列的两个基础接口， poll 和 offer；
2. 队列的实现，采用经典实现；
3. 考虑在队列空的情况下， poll 返回为空，非阻塞；
4. 队列在满的情况下， offer 返回 false ，入队不成功，无异常；

需要注意的一点：在出队时，本文通过迁移头结点的方式实现，避免修改尾结点。
在下文实现并发版本时，会看到此处的用意。

2 并发版本

如果在并发场景下，上述的实现面临一些问题，同时未实现给定的一些需求。

通过添加 synchronized ，保证并发条件下的线程安全问题。

注意此处做同步的原因是为了保证类的不变式。

并发问题

在并发场景下，基础版本的实现面临的问题包括：原子性，可见性和指令重排的问题。

参考 JMM 的相关描述。

并发问题，最简单的解决方法是：通过 synchronized 加锁，一次性解决问题。

// 省略接口定义
class BoundedBlockingQueue implements Queue {// 当前大小protected int size;// 容量protected final int capacity;// 头指针，empty: head.next == tail == nullprotected Node head;// 尾指针protected Node tail;public BoundedBlockingQueue(int capacity) {this.capacity = capacity;this.head = new Node(null);this.tail = head;this.size = 0;}// 如果队列已满，通过返回值标识public synchronized boolean offer(Object obj) {if (size < capacity) {Node node = new Node(obj);tail.next = node;tail = node;++size;return true;}return false;}// 如果队列为空，head.next == null；返回空元素public synchronized Object poll() {if (head.next != null) {Object result = head.next.value;head.next.value = null;head = head.next; // 丢弃头结点--size;return result;}return null;}// 省略 Node 的定义
}

以上，简单粗暴的加 synchronized 可以解决问题，但会引入新的问题：系统活性问题（此问题下文会解决）。

同时，简单加 synchronized 同步是无法实现阻塞等待；即

1. 如果队列为空，那么出队的动作还是会立即返回，返回为空；
2. 如果队列已满，那么入队动作还是会立即返回，返回操作不成功；

实现阻塞等待，需要借助 JAVA 中的 PV 原语：wait, notify, notifyAll 。

参考：JDK 中对 wait, notify, notifyAll 的相关描述。

卫式方法

阻塞等待，可以通过简单的卫式方法来实现，此问题本质上可以抽象为：

1. 任何一个方法都需要在满足一定条件下才可以执行；
2. 执行方法前需要首先校验不变式，然后执行变更；
3. 在执行完成后，校验是否满足后验不变式；

WHEN(condition) Object action(Object arg) {checkPreCondition();doAction(arg);checkPostCondition();
}

此种抽象 Ada 在语言层面上实现。在 JAVA 中，借助 wait, notify, notifyAll 可以翻译为：

// 当前线程
synchronized Object action(Object arg) {while(!condition) {wait();}// 前置条件，不变式checkPreCondition();doAction();// 后置条件，不变式checkPostCondition();
}// 其他线程
synchronized Object notifyAction(Object arg) {notifyAll();
}

需要注意：

1. 通常会采用 notifyAll 发送通知，而非 notify ；因为如果当前线程收到 notify 通知后被中断，那么系统将一直等待下去。
2. 如果使用了 notifyAll 那么卫式语句必须放在 while 循环中；因为线程唤醒后，执行条件已经不满足，虽然当前线程持有互斥锁。
3. 卫式条件的所有变量，有任何变更都需要发送 notifyAll 不然面临系统活性问题

据此，不难实现简单的阻塞版本的有界队列，如下

interface Queue {boolean offer(Object obj) throws InterruptedException;Object poll() throws InterruptedException;}
class FairnessBoundedBlockingQueue implements Queue {// 当前大小protected int size;// 容量protected final int capacity;// 头指针，empty: head.next == tail == nullprotected Node head;// 尾指针protected Node tail;public FairnessBoundedBlockingQueue(int capacity) {this.capacity = capacity;this.head = new Node(null);this.tail = head;this.size = 0;}// 如果队列已满，通过返回值标识public synchronized boolean offer(Object obj) throws InterruptedException {while (size < capacity) {wait();}Node node = new Node(obj);tail.next = node;tail = node;++size;notifyAll(); // 可以出队return true;}// 如果队列为空，阻塞等待public synchronized Object poll() throws InterruptedException {while (head.next == null) {wait();}Object result = head.next.value;head.next.value = null;head = head.next; // 丢弃头结点--size;notifyAll(); // 可以入队return result;}// 省略 Node 的定义
}

以上，实现了阻塞等待，但也引入了更大的性能问题

1. 入队和出队动作阻塞等待同一把锁，恶性竞争；
2. 当队列变更时，所有阻塞线程被唤醒，大量的线程上下文切换，竞争同步锁，最终可能只有一个线程能执行；

需要注意的点：

1. 阻塞等待 wait 会抛出中断异常。关于异常的问题下文会处理；
2. 接口需要支持抛出中断异常；
3. 队里变更需要 notifyAll 避免线程中断或异常，丢失消息；

3 锁拆分优化

以上第一个问题，可以通过锁拆分来解决，即：定义两把锁，读锁和写锁；读写分离。

// 省略接口定义
class FairnessBoundedBlockingQueue implements Queue {// 容量protected final int capacity;// 头指针，empty: head.next == tail == nullprotected Node head;// 尾指针protected Node tail;// guard: canPollCount, headprotected final Object pollLock = new Object();protected int canPollCount;// guard: canOfferCount, tailprotected final Object offerLock = new Object();protected int canOfferCount;public FairnessBoundedBlockingQueue(int capacity) {this.capacity = capacity;this.canPollCount = 0;this.canOfferCount = capacity;this.head = new Node(null);this.tail = head;}// 如果队列已满，通过返回值标识public boolean offer(Object obj) throws InterruptedException {synchronized(offerLock) {while(canOfferCount <= 0) {offerLock.wait();}Node node = new Node(obj);tail.next = node;tail = node;canOfferCount--;}synchronized(pollLock) {++canPollCount;pollLock.notifyAll();}return true;}// 如果队列为空，阻塞等待public Object poll() throws InterruptedException {Object result = null;synchronized(pollLock) {while(canPollCount <= 0) {pollLock.wait();}result = head.next.value;head.next.value = null;head = head.next;canPollCount--;}synchronized(offerLock) {canOfferCount++;offerLock.notifyAll();}return result;}// 省略 Node 定义
}

以上

1. 定义了两把锁， pollLock 和 offerLock 拆分出队和入队竞争；
2. 入队锁同步的变量为：callOfferCount 和 tail；
3. 出队锁同步的变量为：canPollCount 和 head；
4. 出队的动作：首先拿到 pollLock 卫式等待后，完成出队动作；然后拿到 offerLock 发送通知，解除入队的等待线程。
5. 入队的动作：首先拿到 offerLock 卫式等待后，完成入队的动作；然后拿到 pollLock 发送通知，解除出队的等待线程。

以上实现

1. 确保通过入队锁和出队锁，分别保证入队和出队的原子性；
2. 出队动作，通过特别的实现，确保出队只会变更 head ，避免获取 offerLock；
3. 通过 offerLock.notifyAll 和 pollLock.notifyAll 解决读写竞争的问题；

但上述实现还有未解决的问题：

当有多个入队线程等待时，一次出队的动作会触发所有入队线程竞争，大量的线程上下文切换，最终只有一个线程能执行。

即，还有 读与读 和 写与写 之间的竞争问题。

4 状态追踪解除竞争

此处可以通过状态追踪，解除读与读之间和写与写之间的竞争问题

class FairnessBoundedBlockingQueue implements Queue {// 容量protected final int capacity;// 头指针，empty: head.next == tail == nullprotected Node head;// 尾指针protected Node tail;// guard: canPollCount, headprotected final Object pollLock = new Object();protected int canPollCount;protected int waitPollCount;// guard: canOfferCount, tailprotected final Object offerLock = new Object();protected int canOfferCount;protected int waitOfferCount;public FairnessBoundedBlockingQueue(int capacity) {this.capacity = capacity;this.canPollCount = 0;this.canOfferCount = capacity;this.waitPollCount = 0;this.waitOfferCount = 0;this.head = new Node(null);this.tail = head;}// 如果队列已满，通过返回值标识public boolean offer(Object obj) throws InterruptedException {synchronized(offerLock) {while(canOfferCount <= 0) {waitOfferCount++;offerLock.wait();waitOfferCount--;}Node node = new Node(obj);tail.next = node;tail = node;canOfferCount--;}synchronized(pollLock) {++canPollCount;if (waitPollCount > 0) {pollLock.notify();}}return true;}// 如果队列为空，阻塞等待public Object poll() throws InterruptedException {Object result;synchronized(pollLock) {while(canPollCount <= 0) {waitPollCount++;pollLock.wait();waitPollCount--;}result = head.next.value;head.next.value = null;head = head.next;canPollCount--;}synchronized(offerLock) {canOfferCount++;if (waitOfferCount > 0) {offerLock.notify();}}return result;}// 省略 Node 的定义
}

以上

1. 通过 waitOfferCount 和 waitPollCount 的状态追踪解决 读写内部的竞争问题；
2. 当队列变更时，根据追踪的状态，决定是否派发消息，触发线程阻塞状态解除；

但，上述的实现在某些场景下会运行失败，面临活性问题，考虑

情况一：

1. 初始状态队列为空 线程 A 执行出队动作，被阻塞在 pollLock , 此时 waitPollCount==1；
2. 此时线程 A 在执行 wait 时被中断，抛出异常， waitPollCount==1 并未被重置；
3. 阻塞队列为空，但 waitPollCount==1 类状态异常；

情况二：

1. 初始状态队列为空 线程 A B 执行出队动作，被阻塞在 pollLock , 此时 waitPollCount==2；
2. 线程 C 执行入队动作，可以立即执行，执行完成后，触发 pollLock 解除一个线程等待 notify；
3. 触发的线程在 JVM 实现中是随机的，假设线程 A 被解除阻塞；
4. 假设线程 A 在阻塞过程中已被中断，阻塞解除后 JVM 检查 interrupted 状态，抛出 InterruptedException 异常；
5. 此时队列中有一个元素，但线程 A 仍阻塞在 pollLock 中，且一直阻塞下去；

以上为解除阻塞消息丢失的例子，问题的根源在与异常处理。

5 解决异常问题

解决线程中断退出的问题，线程校验中断状态的场景

1. JVM 通常只会在有限的几个场景检测线程的中断状态， wait, Thread.join, Thread.sleep；
2. JVM 在检测到线程中断状态 Thread.interrupted() 后，会清除中断标志，抛出 InterruptedException；
3. 通常为了保证线程对中断及时响应， run 方法中需要自主检测中断标志，中断线程，特别是对中断比较敏感需要保持类的不变式的场景；

class FairnessBoundedBlockingQueue implements Queue {// 容量protected final int capacity;// 头指针，empty: head.next == tail == nullprotected Node head;// 尾指针protected Node tail;// guard: canPollCount, head, waitPollCountprotected final Object pollLock = new Object();protected int canPollCount;protected int waitPollCount;// guard: canOfferCount, tail, waitOfferCountprotected final Object offerLock = new Object();protected int canOfferCount;protected int waitOfferCount;public FairnessBoundedBlockingQueue(int capacity) {this.capacity = capacity;this.canPollCount = 0;this.canOfferCount = capacity;this.waitPollCount = 0;this.waitOfferCount = 0;this.head = new Node(null);this.tail = head;}// 如果队列已满，通过返回值标识public boolean offer(Object obj) throws InterruptedException {if (Thread.interrupted()) {throw new InterruptedException(); // 线程已中断，直接退出即可，防止中断线程竞争锁}synchronized(offerLock) {while(canOfferCount <= 0) {waitOfferCount++;try {offerLock.wait();} catch (InterruptedException e) {// 触发其他线程offerLock.notify();throw e;} finally {waitOfferCount--;}}Node node = new Node(obj);tail.next = node;tail = node;canOfferCount--;}synchronized(pollLock) {++canPollCount;if (waitPollCount > 0) {pollLock.notify();}}return true;}// 如果队列为空，阻塞等待public Object poll() throws InterruptedException {if (Thread.interrupted()) {throw new InterruptedException();}Object result = null;synchronized(pollLock) {while(canPollCount <= 0) {waitPollCount++;try {pollLock.wait();} catch (InterruptedException e) {pollLock.notify();throw e;} finally {waitPollCount--;}}result = head.next.value;head.next.value = 0;// ignore head;head = head.next;canPollCount--;}synchronized(offerLock) {canOfferCount++;if (waitOfferCount > 0) {offerLock.notify();}}return result;}// 省略 Node 的定义
}

以上

1. 当等待线程中断退出时，捕获中断异常，通过 pollLock.notify 和 offerLock.notify 转发消息；
2. 通过在 finally 中恢复状态追踪变量；

通过状态变量追踪可以解决读与读之间和写与写之间的锁竞争问题。

以下考虑如果解决读与读之间和写与写之间的公平性问题。

6 解决公平性

公平性的问题的解决需要将状态变量的追踪转换为：请求监视器追踪。

1. 每个请求对应一个监视器；
2. 通过内部维护一个 FIFO 队列，实现公平性；
3. 在队列状态变更时，释放队列中的监视器；

以上逻辑可以统一抽象为

boolean needToWait;
synchronized(this) {needToWait = calculateNeedToWait();if (needToWait) {enqueue(monitor); // 请求对应的monitor}
}
if (needToWait) {monitor.doWait();
}

需要注意

1. monitor.doWait() 需要在 this 的卫式语句之外，因为如果在内部， monitor.doWait 并不会释放 this锁；
2. calculateNeedToWait() 需要在 this 的守卫之内完成，避免同步问题；
3. 需要考虑中断异常的问题；

基于以上的逻辑抽象，实现公平队列

// 省略接口定义
class FairnessBoundedBlockingQueue implements Queue {// 容量protected final int capacity;// 头指针，empty: head.next == tail == nullprotected Node head;// 尾指针protected Node tail;// guard: canPollCount, head, pollQueueprotected final Object pollLock = new Object();protected int canPollCount;// guard: canOfferCount, tail, offerQueueprotected final Object offerLock = new Object();protected int canOfferCount;protected final WaitQueue pollQueue = new WaitQueue();protected final WaitQueue offerQueue = new WaitQueue();public FairnessBoundedBlockingQueue(int capacity) {this.capacity = capacity;this.canOfferCount = capacity;this.canPollCount = 0;this.head = new Node(null);this.tail = head;}// 如果队列已满，通过返回值标识public boolean offer(Object obj) throws InterruptedException {if (Thread.interrupted()) {throw new InterruptedException(); // 线程已中断，直接退出即可，防止中断线程竞争锁}WaitNode wait = null;synchronized(offerLock) {// 在有阻塞请求或者队列为空时，阻塞等待if (canOfferCount <= 0 || !offerQueue.isEmpty()) {wait = new WaitNode();offerQueue.enq(wait);} else {// continue.}}try {if (wait != null) {wait.doWait();}if (Thread.interrupted()) {throw new InterruptedException();}} catch (InterruptedException e) {offerQueue.doNotify();throw e;}// 确保此时线程状态正常，以下不会校验中断synchronized(offerLock) {Node node = new Node(obj);tail.next = node;tail = node;canOfferCount--;}synchronized(pollLock) {++canPollCount;pollQueue.doNotify();}return true;}// 如果队列为空，阻塞等待public Object poll() throws InterruptedException {if (Thread.interrupted()) {throw new InterruptedException();}Object result = null;WaitNode wait = null;synchronized(pollLock) {// 在有阻塞请求或者队列为空时，阻塞等待if (canPollCount <= 0 || !pollQueue.isEmpty()) {wait = new WaitNode();pollQueue.enq(wait);} else {// ignore}}try {if (wait != null) {wait.doWait();}if (Thread.interrupted()) {throw new InterruptedException();}} catch (InterruptedException e) {// 传递消息pollQueue.doNotify();throw e;}// 以下不会检测线程中断状态synchronized(pollLock) {result = head.next.value;head.next.value = 0;// ignore head;head = head.next;canPollCount--;}synchronized(offerLock) {canOfferCount++;offerQueue.doNotify();}return result;}class WaitQueue {WaitNode head;WaitNode tail;WaitQueue() {head = new WaitNode();tail = head;}synchronized void doNotify() {for(;;) {WaitNode node = deq();if (node == null) {break;} else if (node.doNotify()) {// 此处确保NOTIFY成功break;} else {// ignore, and retry.}}}synchronized boolean isEmpty() {return head.next == null;}synchronized void enq(WaitNode node) {tail.next = node;tail = tail.next;}synchronized WaitNode deq() {if (head.next == null) {return null;}WaitNode res = head.next;head = head.next;if (head.next == null) {tail = head; // 为空，迁移tail节点}return res;}}class WaitNode {boolean released;WaitNode next;WaitNode() {released = false;next = null;}synchronized void doWait() throws InterruptedException {try {while (!released) {wait();}             } catch (InterruptedException e) {if (!released) {released = true;throw e;} else {// 如果是NOTIFY之后收到中断的信号，不能抛出异常；需要做RELAY处理Thread.currentThread().interrupt();}}}synchronized boolean doNotify() {if (!released) {released = true;notify();// 明确释放了一个线程，返回truereturn true;} else {// 没有释放新的线程，返回falsereturn false;}}}// 省略 Node 的定义
}

以上

1. 核心是替换状态追踪变量为同步节点， WaitNode；
2. WaitNode 通过简单的同步队列组织实现 FIFO 协议，每个线程等待各自的 WaitNode 监视器；
3. WaitNode 内部维持 released 状态，标识线程阻塞状态是否被释放，主要是为了处理中断的问题；
4. WaitQueue 本身是全同步的，由于已解决了读写竞争已经读写内部竞争的问题， WaitQueue 同步并不会造成问题；
5. WaitQueue 是无界队列，是一个潜在的问题；但由于其只做同步的追踪，而且追踪的通常是线程，通常并不是问题；
6. 最终的公平有界队列实现，无论是入队还是出队，首先卫式语句判定是否需要入队等待，如果入队等待，通过公平性协议等待;

当信号释放时，借助读写锁同步更新队列；最后同样借助读写锁，触发队列更新消息；

7 等待时间的问题

并发场景下，等待通常会设置为限时等待 TIMED_WAITING ，避免死锁或损失系统活性；

实现同步队列的限时等待，并没想象的那么困难

class TimeoutException extends InterruptedException {}class WaitNode {boolean released;WaitNode next;WaitNode() {released = false;next = null;}synchronized void doWait(long milliSeconds) throws InterruptedException {try {long startTime = System.currentTimeMillis();long toWait = milliSeconds;for (;;) {wait(toWait);if (released) {return;}long now = System.currentTimeMillis();toWait = toWait - (now - startTime);if (toWait <= 0) {throw new TimeoutException();}}} catch (InterruptedException e) {if (!released) {released = true;throw e;} else {// 如果已经释放信号量，此处不抛出异常；但恢复中断状态Thread.currentThread().interrupt();}}}synchronized boolean doNotify() {if (!released) {released = true;notify();return true;} else {return false;}}

由于所有的等待都阻塞在 WaitNode 监视器，以上

• 首先定义超时异常，此处只是为了方便异常处理，继承 InterruptedException；

• 此处依赖于 wait(long timeout) 的超时等待实现，这通常不是问题；

最后，将 WaitNode 超时等待的逻辑，带入到 FairnessBoundedBlockingQueue 实现中，即可。

四 总结

本文通过一步步迭代，最终借助 JAVA 同步原语实现初版的公平有界队列。迭代实现过程中可以看到以下几点：

1. 观念的转变，将调用一个类的方法思维转换为：在满足一定条件下方法才可以调用，在调用前需要满足不变式，调用后满足不变式；由于并发的问题很难测试，通常要采用卫式表达证明并发的正确性；
2. 在迭代实现中会看到很多模式，比如，读写分离时，其实可以抽象为读锁和写锁；就得到了一个抽象的 Lock 的定义；比如，读写状态追踪，可以采用 Exchanger 抽象表达；
3. 另外，本文的实现远非完善，还需要考虑支持 Iterator 遍历、状态查询及数据迁移等操作；

最后，相信大家再看 JUC 的工具包实现，定有不一样的体会。

原文链接
本文为阿里云原创内容，未经允许不得转载。