Exchanger
本文参考群主的博客http://cmsblogs.com/?p=2269
Java 并发 API 提供了一种允许2个并发任务间相互交换数据的同步应用。更具体的说，Exchanger 类允许在2个线程间定义同步点，当2个线程到达这个点，他们相互交换数据类型，使用第一个线程的数据类型变成第二个的，然后第二个线程的数据类型变成第一个的。
package com; import java.util.ArrayList; import java.util.List; import java.util.concurrent.Exchanger; class Producer implements Runnable { // 要被相互交换的数据类型。 private List<String> buffer; // 用来同步 producer和consumer private final Exchanger<List<String>> exchanger; public Producer(List<String> buffer, Exchanger<List<String>> exchanger) { this.buffer = buffer; this.exchanger = exchanger; } public void run() { // 实现10次交换 for (int i = 0; i < 10; i++) { buffer.add("第" + i + "次生产者的数据" + i); try { // 调用exchange方法来与consumer交换数据 System.out.println("第" + i + "次生产者在等待....."); buffer = exchanger.exchange(buffer); System.out.println("第" + i + "次生产者交换后的数据：" + buffer.get(i)); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } } class Consumer implements Runnable { // 用来相互交换 private List<String> buffer; // 用来同步 producer和consumer private final Exchanger<List<String>> exchanger; public Consumer(List<String> buffer, Exchanger<List<String>> exchanger) { this.buffer = buffer; this.exchanger = exchanger; } public void run() { // 实现10次交换 for (int i = 0; i < 10; i++) { buffer.add("第" + i + "次消费者的数据" + i); try { // 调用exchange方法来与consumer交换数据 System.out.println("第" + i + "次消费者在等待....."); buffer = exchanger.exchange(buffer); System.out.println("第" + i + "次消费者交换后的数据：" + buffer.get(i)); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } }
//主类 import java.util.ArrayList; import java.util.List; import java.util.concurrent.Exchanger; public class Core { public static void main(String[] args) { // 创建2个buffers，分别给producer和consumer使用 List<String> buffer1 = new ArrayList<String>(); List<String> buffer2 = new ArrayList<String>(); // 创建Exchanger对象，用来同步producer和consumer Exchanger<List<String>> exchanger = new Exchanger<List<String>>(); // 创建Producer对象和Consumer对象 Producer producer = new Producer(buffer1, exchanger); Consumer consumer = new Consumer(buffer2, exchanger); // 创建线程来执行producer和consumer并开始线程 Thread threadProducer = new Thread(producer); Thread threadConsumer = new Thread(consumer); threadProducer.start(); threadConsumer.start(); } }
在Exchanger中，如果一个线程已经到达了exchanger节点时，对于它的伙伴节点的情况有三种：
- 如果它的伙伴节点在该线程到达之前已经调用了exchanger方法，则它会唤醒它的伙伴然后进行数据交换，得到各自数据返回。
- 如果它的伙伴节点还没有到达交换点，则该线程将会被挂起，等待它的伙伴节点到达被唤醒，完成数据交换。
- 如果当前线程被中断了则抛出异常，或者等待超时了，则抛出超时异常。
Exchanger算法的核心是通过一个可交换数据的slot，以及一个可以带有数据item的参与者。
for (;;) { if (slot is empty) { // offer place item in a Node; if (can CAS slot from empty to node) { wait for release; return matching item in node; } } else if (can CAS slot from node to empty) { // release get the item in node; set matching item in node; release waiting thread; } // else retry on CAS failure }
Exchanger中定义了如下几个重要的成员变量：
private final Participant participant; private volatile Node[] arena; private volatile Node slot;
participant的作用是为每个线程保留唯一的一个Node节点。
slot为单个槽，arena为数组槽。他们都是Node类型。在这里可能会感觉到疑惑，slot作为Exchanger交换数据的场景，应该只需要一个就可以了啊？为何还多了一个Participant 和数组类型的arena呢？一个slot交换场所原则上来说应该是可以的，但实际情况却不是如此，多个参与者使用同一个交换场所时，会存在严重伸缩性问题。既然单个交换场所存在问题，那么我们就安排多个，也就是数组arena。通过数组arena来安排不同的线程使用不同的slot来降低竞争问题，并且可以保证最终一定会成对交换数据。但是Exchanger不是一来就会生成arena数组来降低竞争，只有当产生竞争是才会生成arena数组。那么怎么将Node与当前线程绑定呢？Participant ，Participant 的作用就是为每个线程保留唯一的一个Node节点，它继承ThreadLocal，同时在Node节点中记录在arena中的下标index。
Node定义如下：
@sun.misc.Contended static final class Node { int index; // arena的下标； int bound; // 上一次记录的Exchanger.bound int collides; // 在当前bound下CAS失败的次数 int hash; // 伪随机数，用于自旋； Object item; // 这个线程的当前项，也就是需要交换的数据； volatile Object match; // 做releasing操作的线程传递的项； volatile Thread parked; //挂起时设置线程值，其他情况下为null； }
exchange(V x)
exchange(V x)：等待另一个线程到达此交换点（除非当前线程被中断），然后将给定的对象传送给该线程，并接收该线程的对象。
public V exchange(V x) throws InterruptedException { Object v; Object item = (x == null) ? NULL_ITEM : x; // translate null args if ((arena != null || (v = slotExchange(item, false, 0L)) == null) && ((Thread.interrupted() || // disambiguates null return (v = arenaExchange(item, false, 0L)) == null))) throw new InterruptedException(); return (v == NULL_ITEM) ? null : (V)v; }
这个方法比较好理解：arena为数组槽，如果为null，则执行slotExchange()方法，否则判断线程是否中断，如果中断值抛出InterruptedException异常，没有中断则执行arenaExchange()方法。整套逻辑就是：如果slotExchange(Object item, boolean timed, long ns)方法执行失败了就执行arenaExchange(Object item, boolean timed, long ns)方法，最后返回结果V。
NULL_ITEM 为一个空节点，其实就是一个Object对象而已，slotExchange()为单个slot交换。
slotExchange(Object item, boolean timed, long ns)
private final Object slotExchange(Object item, boolean timed, long ns) { // 获取当前线程的节点 p Node p = participant.get(); // 当前线程 Thread t = Thread.currentThread(); // 线程中断，直接返回 if (t.isInterrupted()) return null; // 自旋 for (Node q;;) { //slot != null if ((q = slot) != null) { //尝试CAS替换 if (U.compareAndSwapObject(this, SLOT, q, null)) { Object v = q.item; // 当前线程的项，也就是交换的数据 q.match = item; // 做releasing操作的线程传递的项 Thread w = q.parked; // 挂起时设置线程值 // 挂起线程不为null，线程挂起 if (w != null) U.unpark(w); return v; } //如果失败了，则创建arena //bound 则是上次Exchanger.bound if (NCPU > 1 && bound == 0 && U.compareAndSwapInt(this, BOUND, 0, SEQ)) arena = new Node[(FULL + 2) << ASHIFT]; } //如果arena != null，直接返回，进入arenaExchange逻辑处理 else if (arena != null) return null; else { p.item = item; if (U.compareAndSwapObject(this, SLOT, null, p)) break; p.item = null; } } /* * 等待 release * 进入spin+block模式 */ int h = p.hash; long end = timed ? System.nanoTime() + ns : 0L; int spins = (NCPU > 1) ? SPINS : 1; Object v; while ((v = p.match) == null) { if (spins > 0) { h ^= h << 1; h ^= h >>> 3; h ^= h << 10; if (h == 0) h = SPINS | (int)t.getId(); else if (h < 0 && (--spins & ((SPINS >>> 1) - 1)) == 0) Thread.yield(); } else if (slot != p) spins = SPINS; else if (!t.isInterrupted() && arena == null && (!timed || (ns = end - System.nanoTime()) > 0L)) { U.putObject(t, BLOCKER, this); p.parked = t; if (slot == p) U.park(false, ns); p.parked = null; U.putObject(t, BLOCKER, null); } else if (U.compareAndSwapObject(this, SLOT, p, null)) { v = timed && ns <= 0L && !t.isInterrupted() ? TIMED_OUT : null; break; } } U.putOrderedObject(p, MATCH, null); p.item = null; p.hash = h; return v; }
程序首先通过participant获取当前线程节点Node。检测是否中断，如果中断return null，等待后续抛出InterruptedException异常。
如果slot不为null，则进行slot消除，成功直接返回数据V，否则失败，则创建arena消除数组。
如果slot为null，但arena不为null，则返回null，进入arenaExchange逻辑。
如果slot为null，且arena也为null，则尝试占领该slot，失败重试，成功则跳出循环进入spin+block（自旋+阻塞）模式。
在自旋+阻塞模式中，首先取得结束时间和自旋次数。如果match(做releasing操作的线程传递的项)为null，其首先尝试spins+随机次自旋（改自旋使用当前节点中的hash，并改变之）和退让。当自旋数为0后，假如slot发生了改变（slot != p）则重置自旋数并重试。否则假如：当前未中断&arena为null&（当前不是限时版本或者限时版本+当前时间未结束）：阻塞或者限时阻塞。假如：当前中断或者arena不为null或者当前为限时版本+时间已经结束：不限时版本：置v为null；限时版本：如果时间结束以及未中断则TIMED_OUT；否则给出null（原因是探测到arena非空或者当前线程中断）。
match不为空时跳出循环。
arenaExchange(Object item, boolean timed, long ns)
private final Object arenaExchange(Object item, boolean timed, long ns) { Node[] a = arena; Node p = participant.get(); for (int i = p.index;;) { // access slot at i int b, m, c; long j; // j is raw array offset Node q = (Node)U.getObjectVolatile(a, j = (i << ASHIFT) + ABASE); if (q != null && U.compareAndSwapObject(a, j, q, null)) { Object v = q.item; // release q.match = item; Thread w = q.parked; if (w != null) U.unpark(w); return v; } else if (i <= (m = (b = bound) & MMASK) && q == null) { p.item = item; // offer if (U.compareAndSwapObject(a, j, null, p)) { long end = (timed && m == 0) ? System.nanoTime() + ns : 0L; Thread t = Thread.currentThread(); // wait for (int h = p.hash, spins = SPINS;;) { Object v = p.match; if (v != null) { U.putOrderedObject(p, MATCH, null); p.item = null; // clear for next use p.hash = h; return v; } else if (spins > 0) { h ^= h << 1; h ^= h >>> 3; h ^= h << 10; // xorshift if (h == 0) // initialize hash h = SPINS | (int)t.getId(); else if (h < 0 && // approx 50% true (--spins & ((SPINS >>> 1) - 1)) == 0) Thread.yield(); // two yields per wait } else if (U.getObjectVolatile(a, j) != p) spins = SPINS; // releaser hasn't set match yet else if (!t.isInterrupted() && m == 0 && (!timed || (ns = end - System.nanoTime()) > 0L)) { U.putObject(t, BLOCKER, this); // emulate LockSupport p.parked = t; // minimize window if (U.getObjectVolatile(a, j) == p) U.park(false, ns); p.parked = null; U.putObject(t, BLOCKER, null); } else if (U.getObjectVolatile(a, j) == p && U.compareAndSwapObject(a, j, p, null)) { if (m != 0) // try to shrink U.compareAndSwapInt(this, BOUND, b, b + SEQ - 1); p.item = null; p.hash = h; i = p.index >>>= 1; // descend if (Thread.interrupted()) return null; if (timed && m == 0 && ns <= 0L) return TIMED_OUT; break; // expired; restart } } } else p.item = null; // clear offer } else { if (p.bound != b) { // stale; reset p.bound = b; p.collides = 0; i = (i != m || m == 0) ? m : m - 1; } else if ((c = p.collides) < m || m == FULL || !U.compareAndSwapInt(this, BOUND, b, b + SEQ + 1)) { p.collides = c + 1; i = (i == 0) ? m : i - 1; // cyclically traverse } else i = m + 1; // grow p.index = i; } } }
首先通过participant取得当前节点Node，然后根据当前节点Node的index去取arena中相对应的节点node。前面提到过arena可以确保不同的slot在arena中是不会相冲突的，那么是怎么保证的呢？
arena = new Node[(FULL + 2) << ASHIFT];
取得arena中的node节点后，如果定位的节点q 不为空，且CAS操作成功，则交换数据，返回交换的数据，唤醒等待的线程。
如果q等于null且下标在bound & MMASK范围之内，则尝试占领该位置，如果成功，则采用自旋 + 阻塞的方式进行等待交换数据。
如果下标不在bound & MMASK范围之内获取由于q不为null但是竞争失败的时候：消除p。加入bound 不等于当前节点的bond（b != p.bound），则更新p.bound = b，collides = 0 ，i = m或者m – 1。如果冲突的次数不到m 获取m 已经为最大值或者修改当前bound的值失败，则通过增加一次collides以及循环递减下标i的值；否则更新当前bound的值成功：我们令i为m+1即为此时最大的下标。最后更新当前index的值。
Exchanger使用、原理都比较好理解，但是这个源码看起来真心有点儿复杂，是真心难看懂，但是这种交换的思路Doug Lea在后续博文中还会提到，例如SynchronousQueue、LinkedTransferQueue。
其实就是”我”和”你”(可能有多个”我”，多个”你”)在一个叫Slot的地方做交易(一手交钱，一手交货)，过程分以下步骤：
- 我先到一个叫做Slot的交易场所交易，发现你已经到了，那我就尝试喊你交易，如果你回应了我，决定和我交易那么进入第2步；如果别人抢先一步把你喊走了，那我就进入第5步。
- 我拿出钱交给你，你可能会接收我的钱，然后把货给我，交易结束；也可能嫌我掏钱太慢(超时)或者接个电话(中断)，TM的不卖了，走了，那我只能再找别人买货了(从头开始)。
- 我到交易地点的时候，你不在，那我先尝试把这个交易点给占了(一屁股做凳子上…)，如果我成功抢占了单间(交易点)，那就坐这儿等着你拿货来交易，进入第4步；如果被别人抢座了，那我只能在找别的地方儿了，进入第5步。
- 你拿着货来了，喊我交易，然后完成交易；也可能我等了好长时间你都没来，我不等了，继续找别人交易去，走的时候我看了一眼，一共没多少人，弄了这么多单间(交易地点Slot)，太TM浪费了，我喊来交易地点管理员：一共也没几个人，搞这么多单间儿干毛，给哥撤一个！。然后再找别人买货(从头开始)；或者我老大给我打了个电话，不让我买货了(中断)。
- 我跑去喊管理员，尼玛，就一个坑交易个毛啊，然后管理在一个更加开阔的地方开辟了好多个单间，然后我就挨个来看每个单间是否有人。如果有人我就问他是否可以交易，如果回应了我，那我就进入第2步。如果我没有人，那我就占着这个单间等其他人来交易，进入第4步。
- 如果我尝试了几次都没有成功，我就会认为，是不是我TM选的这个单间风水不好？不行，得换个地儿继续(从头开始)；如果我尝试了多次发现还没有成功，怒了，把管理员喊来：给哥再开一个单间(Slot)，加一个凳子，这么多人就这么几个破凳子够谁用！
