Java并发基础：LinkedTransferQueue全面解析！

内容概要

LinkedTransferQueue类实现了高效的线程间数据传递，支持等待匹配的生产者-消费者模式，基于链表的无界设计使其在高并发场景下表现卓越，且无需担心队列溢出，丰富的方法和良好的可扩展性满足了各种复杂应用场景的需求。

核心概念

LinkedTransferQueue 是一个高效、无界、基于链表的队列，它同时实现了 TransferQueue 接口和 BlockingQueue 接口，这个队列设计主要用于解决以下几类问题：

1、直接匹配生产者与消费者，LinkedTransferQueue 提供了一种机制，使得生产者可以将元素直接传输给等待消费的消费者，这意味着当调用 transfer(E e) 方法时，如果有一个消费者正等待接收元素，那么元素会立即从生产者转移给消费者，并且两个线程之间的交换无需锁或其他同步机制。

2、避免无效通知，在某些其他阻塞队列中，线程可能会由于操作系统或 JVM 的原因而意外地提前唤醒，这称为“虚假唤醒”，LinkedTransferQueue 使用自旋等优化技术来减少这种无效通知，从而提高效率。

3、非阻塞和阻塞操作的混合支持，除了基本的插入（offer）、移除（poll）和检查（peek）等操作外，还提供了额外的方法如 tryTransfer(E e) 和上面提到的 transfer(E e)。transfer() 方法确保了元素被成功传输前不会释放资源，这对于实现FIFO传递非常有效。

4、高性能低延迟，LinkedTransferQueue 是无界的，但在大多数情况下表现得如同有界队列，因为它会尽力快速地将元素从生产者转移到消费者，避免无限制增长导致的内存溢出，其内部设计通过原子操作和 CAS 算法保证了高度的并发性能和较低的线程上下文切换开销。

总之，LinkedTransferQueue 主要针对那些需要高效、低延迟以及直接 producer-consumer 交互的并发场景，特别适合于工作窃取（work-stealing）算法或者任务传递系统中，它可以简化并发编程模型，降低同步复杂性和提高整体性能。

代码案例

下面是LinkedTransferQueue的简单代码案例，如下代码：

import java.util.concurrent.LinkedTransferQueue;  
  
public class LinkedTransferQueueDemo {  
  
    public static void main(String[] args) {  
        // 创建一个LinkedTransferQueue实例  
        LinkedTransferQueue<Integer> queue = new LinkedTransferQueue<>();  
  
        // 创建一个生产者线程  
        Thread producer = new Thread(() -> {  
            try {  
                for (int i = 0; i < 5; i++) {  
                    System.out.println("生产者准备生产：" + i);  
                    // 将生产的数据放入队列，等待消费者接收  
                    queue.transfer(i);  
                    System.out.println("生产者生产完毕：" + i + "，等待消费者消费");  
                    Thread.sleep(500); // 模拟生产过程耗时  
                }  
            } catch (InterruptedException e) {  
                Thread.currentThread().interrupt(); // 重新设置中断状态  
                e.printStackTrace();  
            }  
        });  
  
        // 创建一个消费者线程  
        Thread consumer = new Thread(() -> {  
            try {  
                for (int i = 0; i < 5; i++) {  
                    // 从队列中取数据，如果没有数据可取，则该方法会阻塞  
                    Integer item = queue.take();  
                    System.out.println("消费者消费了：" + item);  
                    Thread.sleep(1000); // 模拟消费过程耗时  
                }  
            } catch (InterruptedException e) {  
                Thread.currentThread().interrupt(); // 重新设置中断状态  
                e.printStackTrace();  
            }  
        });  
  
        // 启动消费者线程和生产者线程（注意启动顺序通常不重要，但这里先启动消费者以避免生产者阻塞）  
        consumer.start();  
        producer.start();  
    }  
}

运行输出如下类似结果：

消费者等待消费...  
生产者准备生产：0  
生产者生产完毕：0，等待消费者消费  
消费者消费了：0  
生产者准备生产：1  
生产者生产完毕：1，等待消费者消费  
消费者消费了：1  
... (以此类推，直到所有项目都被生产和消费)

核心API

LinkedTransferQueue 实现了一个基于链接节点的、线程安全的 TransferQueue 接口，该队列中的元素可以在生产者线程和消费者线程之间高效传输，LinkedTransferQueue 通常用于需要高效、线程安全的数据传输的场景，尤其是当生产和消费速率不一致时，下面是 LinkedTransferQueue 类中一些重要方法的含义：

1. transfer(E e)
   • 将指定的元素传输给等待的消费者，并立即返回，如果当前没有等待的消费者，则该方法会阻塞，直到有消费者通过 take() 或 receive() 方法接收元素。
2. tryTransfer(E e)
   • 尝试将指定的元素传输给等待的消费者，并立即返回，如果没有等待的消费者，该方法不会阻塞，而是立即返回 false。
3. tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
   • 尝试在指定的时间内将元素传输给等待的消费者，如果在指定的时间内没有消费者接收元素，则该方法返回 false。
4. offer(E e)
   • 将指定的元素插入到队列中，如果队列已满，则立即返回 false，对于 LinkedTransferQueue，由于它是无界的，这个方法实际上永远不会因为队列满而失败，除非内存不足。
5. offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
   • 将指定的元素插入到队列中，等待指定的时间以使其他线程有机会插入或移除元素。由于 LinkedTransferQueue 是无界的，这个方法通常不会因为队列满而阻塞，除非内存不足，然而，它仍然会等待指定的时间，这可能不是最有效的方法来添加元素到队列中。
6. put(E e)
   • 将指定的元素插入到队列中，等待必要的空间变得可用，对于 LinkedTransferQueue，由于它是无界的，这个方法实际上永远不会阻塞。
7. take()
   • 检索并移除队列的头部元素，等待必要的元素变得可用，如果队列为空，则该方法会阻塞，直到有元素可用。
8. poll()
   • 检索并移除队列的头部元素，或返回 null 如果队列为空，这个方法不会阻塞。
9. poll(long timeout, TimeUnit unit)
   • 检索并移除队列的头部元素，等待指定的时间以使元素可用，如果在指定的时间内队列仍然为空，则该方法返回 null。
10. peek()
    • 检索但不移除队列的头部元素，或返回 null 如果队列为空。
11. size()
    • 返回队列中的元素数量，由于队列的并发性质，这个值可能立即过时。它主要用于监控，而不是用于同步控制。
12. isEmpty()
    • 如果队列为空，则返回 true，否则返回 false，和 size() 方法一样，由于并发性，这个方法的结果可能立即过时。
13. clear()
    • 移除队列中的所有元素，这个方法不是线程安全的，通常不建议在并发环境中使用。
14. remainingCapacity()
    • 对于 LinkedTransferQueue，由于它是无界的，这个方法总是返回 Integer.MAX_VALUE，表示队列的剩余容量非常大。
15. drainTo(Collection c)
    • 移除队列中的所有元素，并将它们添加到指定的集合中。
16. drainTo(Collection c, int maxElements)
    • 移除队列中的最多 maxElements 个元素，并将它们添加到指定的集合中。

核心总结

LinkedTransferQueue 是一个高效且线程安全的队列，它实现了 TransferQueue 接口，提供了在生产者和消费者之间直接传递元素的能力，优点在于，它能够在没有消费者时，使生产者线程等待，直到有消费者准备接收元素，从而实现更精细的线程间协作，此外，由于其基于链表的实现，它在高并发环境下表现良好，且不存在队列满的情况（除非内存耗尽）。

LinkedTransferQueue 的缺点在于，相比基于数组的有界队列，它可能会消耗更多的内存，特别是在元素大小较大或队列中元素数量非常多的情况下，此外，虽然它提供了丰富的操作，但在某些简单场景下可能过于复杂。

END!