Mega Code Archive

 
Categories / Java / Collections Data Structure
 

An unbounded TransferQueue based on linked nodes

/*  * DO NOT ALTER OR REMOVE COPYRIGHT NOTICES OR THIS HEADER.  *  * Copyright 1997-2008 Sun Microsystems, Inc. All rights reserved.  *  * The contents of this file are subject to the terms of either the GNU  * General Public License Version 2 only ("GPL") or the Common Development  * and Distribution License("CDDL") (collectively, the "License").  You  * may not use this file except in compliance with the License. You can obtain  * a copy of the License at https://glassfish.dev.java.net/public/CDDL+GPL.html  * or glassfish/bootstrap/legal/LICENSE.txt.  See the License for the specific  * language governing permissions and limitations under the License.  *  * When distributing the software, include this License Header Notice in each  * file and include the License file at glassfish/bootstrap/legal/LICENSE.txt.  * Sun designates this particular file as subject to the "Classpath" exception  * as provided by Sun in the GPL Version 2 section of the License file that  * accompanied this code.  If applicable, add the following below the License  * Header, with the fields enclosed by brackets [] replaced by your own  * identifying information: "Portions Copyrighted [year]  * [name of copyright owner]"  *  * Contributor(s):  *  * If you wish your version of this file to be governed by only the CDDL or  * only the GPL Version 2, indicate your decision by adding "[Contributor]  * elects to include this software in this distribution under the [CDDL or GPL  * Version 2] license."  If you don't indicate a single choice of license, a  * recipient has the option to distribute your version of this file under  * either the CDDL, the GPL Version 2 or to extend the choice of license to  * its licensees as provided above.  However, if you add GPL Version 2 code  * and therefore, elected the GPL Version 2 license, then the option applies  * only if the new code is made subject to such option by the copyright  * holder.  */ /*  * Written by Doug Lea with assistance from members of JCP JSR-166  * Expert Group and released to the public domain, as explained at  * http://creativecommons.org/licenses/publicdomain  */ //package com.google.code.yanf4j.util; import java.util.AbstractQueue; import java.util.Collection; import java.util.Iterator; import java.util.NoSuchElementException; import java.util.concurrent.BlockingQueue; import java.util.concurrent.TimeUnit; import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference; import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater; import java.util.concurrent.locks.LockSupport; /**  * An unbounded <tt>TransferQueue</tt> based on linked nodes.  * This queue orders elements FIFO (first-in-first-out) with respect  * to any given producer.  The <em>head</em> of the queue is that  * element that has been on the queue the longest time for some  * producer.  The <em>tail</em> of the queue is that element that has  * been on the queue the shortest time for some producer.  *  * <p>Beware that, unlike in most collections, the <tt>size</tt>  * method is <em>NOT</em> a constant-time operation. Because of the  * asynchronous nature of these queues, determining the current number  * of elements requires a traversal of the elements.  *  * <p>This class and its iterator implement all of the  * <em>optional</em> methods of the {@link Collection} and {@link  * Iterator} interfaces.  *  * <p>Memory consistency effects: As with other concurrent  * collections, actions in a thread prior to placing an object into a  * {@code LinkedTransferQueue}  * <a href="package-summary.html#MemoryVisibility"><i>happen-before</i></a>  * actions subsequent to the access or removal of that element from  * the {@code LinkedTransferQueue} in another thread.  *  * @author Doug Lea  * @author The Netty Project (netty-dev@lists.jboss.org)  * @author Trustin Lee (tlee@redhat.com)  *  * @param <E> the type of elements held in this collection  *  */ public class LinkedTransferQueue<E> extends AbstractQueue<E> implements BlockingQueue<E> {     /*      * This class extends the approach used in FIFO-mode      * SynchronousQueues. See the internal documentation, as well as      * the PPoPP 2006 paper "Scalable Synchronous Queues" by Scherer,      * Lea & Scott      * (http://www.cs.rice.edu/~wns1/papers/2006-PPoPP-SQ.pdf)      *      * The main extension is to provide different Wait modes for the      * main "xfer" method that puts or takes items.  These don't      * impact the basic dual-queue logic, but instead control whether      * or how threads block upon insertion of request or data nodes      * into the dual queue. It also uses slightly different      * conventions for tracking whether nodes are off-list or      * cancelled.      */     // Wait modes for xfer method     private static final int NOWAIT  = 0;     private static final int TIMEOUT = 1;     private static final int WAIT    = 2;     /** The number of CPUs, for spin control */     private static final int NCPUS = Runtime.getRuntime().availableProcessors();     /**      * The number of times to spin before blocking in timed waits.      * The value is empirically derived -- it works well across a      * variety of processors and OSes. Empirically, the best value      * seems not to vary with number of CPUs (beyond 2) so is just      * a constant.      */     private static final int maxTimedSpins = NCPUS < 2? 0 : 32;     /**      * The number of times to spin before blocking in untimed waits.      * This is greater than timed value because untimed waits spin      * faster since they don't need to check times on each spin.      */     private static final int maxUntimedSpins = maxTimedSpins * 16;     /**      * The number of nanoseconds for which it is faster to spin      * rather than to use timed park. A rough estimate suffices.      */     private static final long spinForTimeoutThreshold = 1000L;     /**      * Node class for LinkedTransferQueue. Opportunistically      * subclasses from AtomicReference to represent item. Uses Object,      * not E, to allow setting item to "this" after use, to avoid      * garbage retention. Similarly, setting the next field to this is      * used as sentinel that node is off list.      */     private static final class QNode extends AtomicReference<Object> {         private static final long serialVersionUID = 5925596372370723938L;         transient volatile QNode next;         transient volatile Thread waiter;       // to control park/unpark         final boolean isData;         QNode(Object item, boolean isData) {             super(item);             this.isData = isData;         }         private static final AtomicReferenceFieldUpdater<QNode, QNode> nextUpdater;         static {             AtomicReferenceFieldUpdater<QNode, QNode> tmp = null;             try {                 tmp = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(                         QNode.class, QNode.class, "next");                 // Test if AtomicReferenceFieldUpdater is really working.                 QNode testNode = new QNode(null, false);                 tmp.set(testNode, testNode);                 if (testNode.next != testNode) {                     // Not set as expected - fall back to the safe mode.                     throw new Exception();                 }             } catch (Throwable t) {                 // Running in a restricted environment with a security manager.                 tmp = null;             }             nextUpdater = tmp;         }         boolean casNext(QNode cmp, QNode val) {             if (nextUpdater != null) {                 return nextUpdater.compareAndSet(this, cmp, val);             } else {                 return alternativeCasNext(cmp, val);             }         }         private synchronized boolean alternativeCasNext(QNode cmp, QNode val) {             if (this.next == cmp) {                 this.next = val;                 return true;             } else {                 return false;             }         }     }     /**      * Padded version of AtomicReference used for head, tail and      * cleanMe, to alleviate contention across threads CASing one vs      * the other.      */     private static final class PaddedAtomicReference<T> extends AtomicReference<T> {         private static final long serialVersionUID = 4684288940772921317L;         // enough padding for 64bytes with 4byte refs         @SuppressWarnings("unused")         Object p0, p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7, p8, p9, pa, pb, pc, pd, pe;         PaddedAtomicReference(T r) { super(r); }     }     /** head of the queue */     private final PaddedAtomicReference<QNode> head;     /** tail of the queue */     private final PaddedAtomicReference<QNode> tail;     /**      * Reference to a cancelled node that might not yet have been      * unlinked from queue because it was the last inserted node      * when it cancelled.      */     private final PaddedAtomicReference<QNode> cleanMe;     /**      * Tries to cas nh as new head; if successful, unlink      * old head's next node to avoid garbage retention.      */     private boolean advanceHead(QNode h, QNode nh) {         if (h == this.head.get() && this.head.compareAndSet(h, nh)) {             h.next = h; // forget old next             return true;         }         return false;     }     /**      * Puts or takes an item. Used for most queue operations (except      * poll() and tryTransfer()). See the similar code in      * SynchronousQueue for detailed explanation.      * @param e the item or if null, signifies that this is a take      * @param mode the wait mode: NOWAIT, TIMEOUT, WAIT      * @param nanos timeout in nanosecs, used only if mode is TIMEOUT      * @return an item, or null on failure      */     private Object xfer(Object e, int mode, long nanos) {         boolean isData = e != null;         QNode s = null;         final PaddedAtomicReference<QNode> head = this.head;         final PaddedAtomicReference<QNode> tail = this.tail;         for (;;) {             QNode t = tail.get();             QNode h = head.get();             if (t != null && (t == h || t.isData == isData)) {                 if (s == null) {                     s = new QNode(e, isData);                 }                 QNode last = t.next;                 if (last != null) {                     if (t == tail.get()) {                         tail.compareAndSet(t, last);                     }                 }                 else if (t.casNext(null, s)) {                     tail.compareAndSet(t, s);                     return awaitFulfill(t, s, e, mode, nanos);                 }             }             else if (h != null) {                 QNode first = h.next;                 if (t == tail.get() && first != null &&                     advanceHead(h, first)) {                     Object x = first.get();                     if (x != first && first.compareAndSet(x, e)) {                         LockSupport.unpark(first.waiter);                         return isData? e : x;                     }                 }             }         }     }     /**      * Version of xfer for poll() and tryTransfer, which      * simplifies control paths both here and in xfer      */     private Object fulfill(Object e) {         boolean isData = e != null;         final PaddedAtomicReference<QNode> head = this.head;         final PaddedAtomicReference<QNode> tail = this.tail;         for (;;) {             QNode t = tail.get();             QNode h = head.get();             if (t != null && (t == h || t.isData == isData)) {                 QNode last = t.next;                 if (t == tail.get()) {                     if (last != null) {                         tail.compareAndSet(t, last);                     } else {                         return null;                     }                 }             }             else if (h != null) {                 QNode first = h.next;                 if (t == tail.get() &&                     first != null &&                     advanceHead(h, first)) {                     Object x = first.get();                     if (x != first && first.compareAndSet(x, e)) {                         LockSupport.unpark(first.waiter);                         return isData? e : x;                     }                 }             }         }     }     /**      * Spins/blocks until node s is fulfilled or caller gives up,      * depending on wait mode.      *      * @param pred the predecessor of waiting node      * @param s the waiting node      * @param e the comparison value for checking match      * @param mode mode      * @param nanos timeout value      * @return matched item, or s if cancelled      */     private Object awaitFulfill(QNode pred, QNode s, Object e,                                 int mode, long nanos) {         if (mode == NOWAIT) {             return null;         }         long lastTime = mode == TIMEOUT? System.nanoTime() : 0;         Thread w = Thread.currentThread();         int spins = -1; // set to desired spin count below         for (;;) {             if (w.isInterrupted()) {                 s.compareAndSet(e, s);             }             Object x = s.get();             if (x != e) {                 // Node was matched or cancelled                 advanceHead(pred, s);     // unlink if head                 if (x == s) {              // was cancelled                     clean(pred, s);                     return null;                 }                 else if (x != null) {                     s.set(s);             // avoid garbage retention                     return x;                 } else {                     return e;                 }             }             if (mode == TIMEOUT) {                 long now = System.nanoTime();                 nanos -= now - lastTime;                 lastTime = now;                 if (nanos <= 0) {                     s.compareAndSet(e, s); // try to cancel                     continue;                 }             }             if (spins < 0) {                 QNode h = this.head.get(); // only spin if at head                 spins = h != null && h.next == s ?                          (mode == TIMEOUT?                           maxTimedSpins : maxUntimedSpins) : 0;             }             if (spins > 0) {                 --spins;             } else if (s.waiter == null) {                 s.waiter = w;             } else if (mode != TIMEOUT) {                 //                LockSupport.park(this);                 LockSupport.park(); // allows run on java5                 s.waiter = null;                 spins = -1;             }             else if (nanos > spinForTimeoutThreshold) {                 //                LockSupport.parkNanos(this, nanos);                 LockSupport.parkNanos(nanos);                 s.waiter = null;                 spins = -1;             }         }     }     /**      * Returns validated tail for use in cleaning methods      */     private QNode getValidatedTail() {         for (;;) {             QNode h = this.head.get();             QNode first = h.next;             if (first != null && first.next == first) { // help advance                 advanceHead(h, first);                 continue;             }             QNode t = this.tail.get();             QNode last = t.next;             if (t == this.tail.get()) {                 if (last != null) {                     this.tail.compareAndSet(t, last); // help advance                 } else {                     return t;                 }             }         }     }     /**      * Gets rid of cancelled node s with original predecessor pred.      * @param pred predecessor of cancelled node      * @param s the cancelled node      */     void clean(QNode pred, QNode s) {         Thread w = s.waiter;         if (w != null) {             // Wake up thread             s.waiter = null;             if (w != Thread.currentThread()) {                 LockSupport.unpark(w);             }         }         /*          * At any given time, exactly one node on list cannot be          * deleted -- the last inserted node. To accommodate this, if          * we cannot delete s, we save its predecessor as "cleanMe",          * processing the previously saved version first. At least one          * of node s or the node previously saved can always be          * processed, so this always terminates.          */         while (pred.next == s) {             QNode oldpred = reclean();  // First, help get rid of cleanMe             QNode t = getValidatedTail();             if (s != t) {               // If not tail, try to unsplice                 QNode sn = s.next;      // s.next == s means s already off list                 if (sn == s || pred.casNext(s, sn)) {                     break;                 }             }             else if (oldpred == pred || // Already saved                      oldpred == null && this.cleanMe.compareAndSet(null, pred)) {                 break;                  // Postpone cleaning             }         }     }     /**      * Tries to unsplice the cancelled node held in cleanMe that was      * previously uncleanable because it was at tail.      * @return current cleanMe node (or null)      */     private QNode reclean() {         /*          * cleanMe is, or at one time was, predecessor of cancelled          * node s that was the tail so could not be unspliced.  If s          * is no longer the tail, try to unsplice if necessary and          * make cleanMe slot available.  This differs from similar          * code in clean() because we must check that pred still          * points to a cancelled node that must be unspliced -- if          * not, we can (must) clear cleanMe without unsplicing.          * This can loop only due to contention on casNext or          * clearing cleanMe.          */         QNode pred;         while ((pred = this.cleanMe.get()) != null) {             QNode t = getValidatedTail();             QNode s = pred.next;             if (s != t) {                 QNode sn;                 if (s == null || s == pred || s.get() != s ||                     (sn = s.next) == s || pred.casNext(s, sn)) {                     this.cleanMe.compareAndSet(pred, null);                 }             } else {                 break;             }         }         return pred;     }     @SuppressWarnings("unchecked")     E cast(Object e) {         return (E)e;     }     /**      * Creates an initially empty <tt>LinkedTransferQueue</tt>.      */     public LinkedTransferQueue() {         QNode dummy = new QNode(null, false);         this.head = new PaddedAtomicReference<QNode>(dummy);         this.tail = new PaddedAtomicReference<QNode>(dummy);         this.cleanMe = new PaddedAtomicReference<QNode>(null);     }     /**      * Creates a <tt>LinkedTransferQueue</tt>      * initially containing the elements of the given collection,      * added in traversal order of the collection's iterator.      * @param c the collection of elements to initially contain      * @throws NullPointerException if the specified collection or any      *         of its elements are null      */     public LinkedTransferQueue(Collection<? extends E> c) {         this();         addAll(c);     }     public void put(E e) throws InterruptedException {         if (e == null) {             throw new NullPointerException();         }         if (Thread.interrupted()) {             throw new InterruptedException();         }         xfer(e, NOWAIT, 0);     }     public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)         throws InterruptedException {         if (e == null) {             throw new NullPointerException();         }         if (Thread.interrupted()) {             throw new InterruptedException();         }         xfer(e, NOWAIT, 0);         return true;     }     public boolean offer(E e) {         if (e == null) {             throw new NullPointerException();         }         xfer(e, NOWAIT, 0);         return true;     }     public void transfer(E e) throws InterruptedException {         if (e == null) {             throw new NullPointerException();         }         if (xfer(e, WAIT, 0) == null) {             Thread.interrupted();             throw new InterruptedException();         }     }     public boolean tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit)         throws InterruptedException {         if (e == null) {             throw new NullPointerException();         }         if (xfer(e, TIMEOUT, unit.toNanos(timeout)) != null) {             return true;         }         if (!Thread.interrupted()) {             return false;         }         throw new InterruptedException();     }     public boolean tryTransfer(E e) {         if (e == null) {             throw new NullPointerException();         }         return fulfill(e) != null;     }     public E take() throws InterruptedException {         Object e = xfer(null, WAIT, 0);         if (e != null) {             return cast(e);         }         Thread.interrupted();         throw new InterruptedException();     }     public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {         Object e = xfer(null, TIMEOUT, unit.toNanos(timeout));         if (e != null || !Thread.interrupted()) {             return cast(e);         }         throw new InterruptedException();     }     public E poll() {         return cast(fulfill(null));     }     public int drainTo(Collection<? super E> c) {         if (c == null) {             throw new NullPointerException();         }         if (c == this) {             throw new IllegalArgumentException();         }         int n = 0;         E e;         while ( (e = poll()) != null) {             c.add(e);             ++n;         }         return n;     }     public int drainTo(Collection<? super E> c, int maxElements) {         if (c == null) {             throw new NullPointerException();         }         if (c == this) {             throw new IllegalArgumentException();         }         int n = 0;         E e;         while (n < maxElements && (e = poll()) != null) {             c.add(e);             ++n;         }         return n;     }     // Traversal-based methods     /**      * Return head after performing any outstanding helping steps      */     QNode traversalHead() {         for (;;) {             QNode t = this.tail.get();             QNode h = this.head.get();             if (h != null && t != null) {                 QNode last = t.next;                 QNode first = h.next;                 if (t == this.tail.get()) {                     if (last != null) {                         this.tail.compareAndSet(t, last);                     } else if (first != null) {                         Object x = first.get();                         if (x == first) {                             advanceHead(h, first);                         } else {                             return h;                         }                     } else {                         return h;                     }                 }             }         }     }     @Override     public Iterator<E> iterator() {         return new Itr();     }     /**      * Iterators. Basic strategy is to traverse list, treating      * non-data (i.e., request) nodes as terminating list.      * Once a valid data node is found, the item is cached      * so that the next call to next() will return it even      * if subsequently removed.      */     class Itr implements Iterator<E> {         QNode nextNode;    // Next node to return next         QNode currentNode; // last returned node, for remove()         QNode prevNode;    // predecessor of last returned node         E nextItem;        // Cache of next item, once commited to in next         Itr() {             this.nextNode = traversalHead();             advance();         }         E advance() {             this.prevNode = this.currentNode;             this.currentNode = this.nextNode;             E x = this.nextItem;             QNode p = this.nextNode.next;             for (;;) {                 if (p == null || !p.isData) {                     this.nextNode = null;                     this.nextItem = null;                     return x;                 }                 Object item = p.get();                 if (item != p && item != null) {                     this.nextNode = p;                     this.nextItem = cast(item);                     return x;                 }                 this.prevNode = p;                 p = p.next;             }         }         public boolean hasNext() {             return this.nextNode != null;         }         public E next() {             if (this.nextNode == null) {                 throw new NoSuchElementException();             }             return advance();         }         public void remove() {             QNode p = this.currentNode;             QNode prev = this.prevNode;             if (prev == null || p == null) {                 throw new IllegalStateException();             }             Object x = p.get();             if (x != null && x != p && p.compareAndSet(x, p)) {                 clean(prev, p);             }         }     }     public E peek() {         for (;;) {             QNode h = traversalHead();             QNode p = h.next;             if (p == null) {                 return null;             }             Object x = p.get();             if (p != x) {                 if (!p.isData) {                     return null;                 }                 if (x != null) {                     return cast(x);                 }             }         }     }     @Override     public boolean isEmpty() {         for (;;) {             QNode h = traversalHead();             QNode p = h.next;             if (p == null) {                 return true;             }             Object x = p.get();             if (p != x) {                 if (!p.isData) {                     return true;                 }                 if (x != null) {                     return false;                 }             }         }     }     public boolean hasWaitingConsumer() {         for (;;) {             QNode h = traversalHead();             QNode p = h.next;             if (p == null) {                 return false;             }             Object x = p.get();             if (p != x) {                 return !p.isData;             }         }     }     /**      * Returns the number of elements in this queue.  If this queue      * contains more than <tt>Integer.MAX_VALUE</tt> elements, returns      * <tt>Integer.MAX_VALUE</tt>.      *      * <p>Beware that, unlike in most collections, this method is      * <em>NOT</em> a constant-time operation. Because of the      * asynchronous nature of these queues, determining the current      * number of elements requires an O(n) traversal.      *      * @return the number of elements in this queue      */     @Override     public int size() {         int count = 0;         QNode h = traversalHead();         for (QNode p = h.next; p != null && p.isData; p = p.next) {             Object x = p.get();             if (x != null && x != p) {                 if (++count == Integer.MAX_VALUE) {                     break;                 }             }         }         return count;     }     public int getWaitingConsumerCount() {         int count = 0;         QNode h = traversalHead();         for (QNode p = h.next; p != null && !p.isData; p = p.next) {             if (p.get() == null) {                 if (++count == Integer.MAX_VALUE) {                     break;                 }             }         }         return count;     }     public int remainingCapacity() {         return Integer.MAX_VALUE;     } }