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什么是SynchronousQueue的公平模式与非公平模式_基于队列与栈的实现

P粉602998670

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发布时间:2026-02-15 12:25:03

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来源于php中文网

原创

公平模式下synchronousqueue使用fifo队列严格按调用顺序匹配put/take线程,通过transferqueue实现,吞吐较低但顺序确定;非公平模式用lifo栈(transferstack)就近配对,吞吐高但可能饿死老线程。

什么是synchronousqueue的公平模式与非公平模式_基于队列与栈的实现

公平模式下 SynchronousQueue 是怎么排队的

公平模式用的是 FIFO 队列,谁先 puttake,谁就优先匹配。比如线程 A 调用 put 后阻塞,线程 B 紧接着调用 take,那它们立刻配对;但如果线程 C 在 B 之前也调用了 take,C 就排在 B 前面——顺序严格按调用时间。

实际中容易误以为“公平 = 执行快”,其实它牺牲吞吐换确定性:多个线程竞争时,上下文切换更频繁,put/take 平均耗时会上升。

  • 构造时显式指定:new SynchronousQueue(true)
  • 不传参默认是非公平(new SynchronousQueue() 等价于 new SynchronousQueue(false)
  • JDK 9+ 中公平模式底层用 TransferQueue 实现,非公平用 TransferStack

非公平模式为什么默认用结构

非公平模式本质是 LIFO,后进先出。最新来的 put 线程会优先和最新来的 take 线程配对,跳过前面排队的线程。这带来两个关键效果:缓存局部性更好、线程唤醒更集中,所以吞吐更高。

但副作用明显:老线程可能饿死。比如一个慢消费者反复 take 失败,新生产者不断涌入,它就一直卡在队列头动不了。

  • 栈结构让匹配逻辑变成“就近配对”,减少跨核缓存同步开销
  • 在高并发短任务场景(如 ForkJoinPool 工作窃取),非公平性能通常高出 20%~40%
  • 错误现象:Thread.getState() 长期显示 WAITING,但堆栈里没别的线程在等——大概率是被新请求持续插队

TransferStackTransferQueue 的实现差异在哪

这两个类不是 public API,但理解它们能解释行为差异。前者是无锁栈,靠 CAS 修改栈顶指针;后者是带哨兵节点的双向链表,插入/删除都要更新前后指针。

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栈结构单次操作平均只需 1 次 CAS,队列往往要 2~3 次——这就是非公平模式更快的底层原因。不过栈对 GC 更友好:节点生命周期短,基本不进入老年代。

  • TransferStack 节点有 WAITING/FULFILLING 两种状态,状态转换靠自旋 + CAS
  • TransferQueue 节点必须维护 prev/next 引用,对象体积更大,且链表遍历有 cache miss 风险
  • 从 JDK 8 到 JDK 17,两者的 CAS 失败重试策略越来越激进,非公平优势进一步放大

什么时候该强制用公平模式

只有当你明确需要响应顺序可预测时才选公平模式,比如实时音视频帧调度、金融订单撮合这类对延迟抖动敏感的场景。

多数业务代码根本不需要——Spring 的 ThreadPoolTaskExecutor 默认用非公平 SynchronousQueue,Dubbo 的消费端线程池也是。盲目切公平,反而可能把 P99 延迟拉高一倍。

  • 典型信号:监控发现 take 平均等待时间波动极大(>5ms),且线程 dump 显示大量 WAITING on java.util.concurrent.SynchronousQueue$TransferStack
  • 测试时别只看吞吐,用 jstack 抓几次现场,确认阻塞线程是否真的按预期顺序唤醒
  • 公平模式无法解决“生产者太快、消费者太慢”的根本问题,只是让慢线程饿得更规律

真正难的不是选公平还是非公平,而是判断你的场景到底有没有顺序敏感性。很多所谓“要公平”的需求,其实是没压测过非公平的真实表现。

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