【死磕 Java 并发】—– J.U.C 之并发工具类：Exchanger
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摘要: 原创出处 http://cmsblogs.com/?p=2269 「小明哥」欢迎转载，保留摘要，谢谢！
应用示例
实现分析
此篇博客所有源码均来自JDK 1.8
前面三篇博客分别介绍了CyclicBarrier、CountDownLatch、Semaphore，现在介绍并发工具类中的最后一个Exchange。Exchange是最简单的也是最复杂的，简单在于API非常简单，就一个构造方法和两个exchange()方法，最复杂在于它的实现是最复杂的（反正我是看晕了的）。
在API是这么介绍的：可以在对中对元素进行配对和交换的线程的同步点。每个线程将条目上的某个方法呈现给 exchange 方法，与伙伴线程进行匹配，并且在返回时接收其伙伴的对象。Exchanger 可能被视为 SynchronousQueue 的双向形式。Exchanger 可能在应用程序（比如遗传算法和管道设计）中很有用。
Exchanger，它允许在并发任务之间交换数据。具体来说，Exchanger类允许在两个线程之间定义同步点。当两个线程都到达同步点时，他们交换数据结构，因此第一个线程的数据结构进入到第二个线程中，第二个线程的数据结构进入到第一个线程中。
应用示例
Exchange实现较为复杂，我们先看其怎么使用，然后再来分析其源码。现在我们用Exchange来模拟生产-消费者问题：
public class ExchangerTest {
static class Producer implements Runnable{
//生产者、消费者交换的数据结构
private List<String> buffer;
//步生产者和消费者的交换对象
private Exchanger<List<String>> exchanger;
Producer(List<String> buffer,Exchanger<List<String>> exchanger){
this.buffer = buffer;
this.exchanger = exchanger;
}
public void run() {
for(int i = 1 ; i < 5 ; i++){
System.out.println("生产者第" + i + "次提供");
for(int j = 1 ; j <= 3 ; j++){
System.out.println("生产者装入" + i + "--" + j);
buffer.add("buffer：" + i + "--" + j);
}
System.out.println("生产者装满，等待与消费者交换...");
try {
exchanger.exchange(buffer);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
static class Consumer implements Runnable {
private List<String> buffer;
private final Exchanger<List<String>> exchanger;
public Consumer(List<String> buffer, Exchanger<List<String>> exchanger) {
this.buffer = buffer;
this.exchanger = exchanger;
}
public void run() {
for (int i = 1; i < 5; i++) {
//调用exchange()与消费者进行数据交换
try {
buffer = exchanger.exchange(buffer);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("消费者第" + i + "次提取");
for (int j = 1; j <= 3 ; j++) {
System.out.println("消费者 : " + buffer.get(0));
buffer.remove(0);
}
}
}
}
public static void main(String[] args){
List<String> buffer1 = new ArrayList<String>();
List<String> buffer2 = new ArrayList<String>();
Exchanger<List<String>> exchanger = new Exchanger<List<String>>();
Thread producerThread = new Thread(new Producer(buffer1,exchanger));
Thread consumerThread = new Thread(new Consumer(buffer2,exchanger));
producerThread.start();
consumerThread.start();
}
}
运行结果：
[<img src="http://cmsblogs.qiniudn.com/wp-content/uploads/2017/05/2017022100011_thumb.jpg" alt="2017022100011]" />
首先生产者Producer、消费者Consumer首先都创建一个缓冲列表，通过Exchanger来同步交换数据。消费中通过调用Exchanger与生产者进行同步来获取数据，而生产者则通过for循环向缓存队列存储数据并使用exchanger对象消费者同步。到消费者从exchanger哪里得到数据后，他的缓冲列表中有3个数据，而生产者得到的则是一个空的列表。上面的例子充分展示了消费者-生产者是如何利用Exchanger来完成数据交换的。
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。
实现分析
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。源码中的描述如下：
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：
.misc.Contended static final class Node {
int index; // Arena index
int bound; // Last recorded value of Exchanger.bound
int collides; // Number of CAS failures at current bound
int hash; // Pseudo-random for spins
Object item; // This thread's current item
volatile Object match; // Item provided by releasing thread
volatile Thread parked; // Set to this thread when parked, else null
}
index：arena的下标；
bound：上一次记录的Exchanger.bound；
collides：在当前bound下CAS失败的次数；
hash：伪随机数，用于自旋；
item：这个线程的当前项，也就是需要交换的数据；
match：做releasing操作的线程传递的项；
parked：挂起时设置线程值，其他情况下为null；
在Node定义中有两个变量值得思考：bound以及collides。前面提到了数组area是为了避免竞争而产生的，如果系统不存在竞争问题，那么完全没有必要开辟一个高效的arena来徒增系统的复杂性。首先通过单个slot的exchanger来交换数据，当探测到竞争时将安排不同的位置的slot来保存线程Node，并且可以确保没有slot会在同一个缓存行上。如何来判断会有竞争呢？CAS替换slot失败，如果失败，则通过记录冲突次数来扩展arena的尺寸，我们在记录冲突的过程中会跟踪“bound”的值，以及会重新计算冲突次数在bound的值被改变时。这里阐述可能有点儿模糊，不着急，我们先有这个概念，后面在arenaExchange中再次做详细阐述。
我们直接看exchange()方法
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。方法定义如下：
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。
整个slotExchange清晰明了。
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？我们先看arena的创建：
arena = new Node[(FULL + 2) << ASHIFT];
这个arena到底有多大呢？我们先看FULL 和ASHIFT的定义：
static final int FULL = (NCPU >= (MMASK << 1)) ? MMASK : NCPU >>> 1;
private static final int ASHIFT = 7;
private static final int NCPU = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
private static final int MMASK = 0xff; // 255
假如我的机器NCPU = 8 ，则得到的是768大小的arena数组。然后通过以下代码取得在arena中的节点：
Node q = (Node)U.getObjectVolatile(a, j = (i << ASHIFT) + ABASE);
他仍然是通过右移ASHIFT位来取得Node的，ABASE定义如下：
Class<?> ak = Node[].class;
ABASE = U.arrayBaseOffset(ak) + (1 << ASHIFT);
U.arrayBaseOffset获取对象头长度，数组元素的大小可以通过unsafe.arrayIndexScale(T[].class) 方法获取到。这也就是说要访问类型为T的第N个元素的话，你的偏移量offset应该是arrayOffset+N*arrayScale。也就是说BASE = arrayOffset+ 128 。其次我们再看Node节点的定义
.misc.Contended static final class Node{
....
}
在Java 8 中我们是可以利用sun.misc.Contended来规避伪共享的。所以说通过 << ASHIFT方式加上sun.misc.Contended，所以使得任意两个可用Node不会再同一个缓存行中。
关于伪共享请参考如下博文：
伪共享(False Sharing)
[ Java8中用sun.misc.Contended避免伪共享(false sharing)](
http://blog.csdn.net/aigoogle/article/details/41518369)
我们再次回到arenaExchange()。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。
最后用一个在网上看到的段子结束此篇博客（http://brokendreams.iteye.com/blog/2253956），博主对其做了一点点修改，以便更加符合在1.8环境下的Exchanger：
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！
666. 彩蛋
如果你对 Dubbo / Netty 等等源码与原理感兴趣，欢迎加入我的知识星球一起交流。长按下方二维码噢：
目前在知识星球更新了《Dubbo 源码解析》目录如下：
01. 调试环境搭建
02. 项目结构一览
03. 配置 Configuration
04. 核心流程一览
05. 拓展机制 SPI
06. 线程池
07. 服务暴露 Export
08. 服务引用 Refer
09. 注册中心 Registry
10. 动态编译 Compile
11. 动态代理 Proxy
12. 服务调用 Invoke
13. 调用特性
14. 过滤器 Filter
15. NIO 服务器
16. P2P 服务器
17. HTTP 服务器
18. 序列化 Serialization
19. 集群容错 Cluster
20. 优雅停机
21. 日志适配
22. 状态检查
23. 监控中心 Monitor
24. 管理中心 Admin
25. 运维命令 QOS
26. 链路追踪 Tracing
... 一共 69+ 篇
目前在知识星球更新了《Netty 源码解析》目录如下：
01. 调试环境搭建
02. NIO 基础
03. Netty 简介
04. 启动 Bootstrap
05. 事件轮询 EventLoop
06. 通道管道 ChannelPipeline
07. 通道 Channel
08. 字节缓冲区 ByteBuf
09. 通道处理器 ChannelHandler
10. 编解码 Codec
11. 工具类 Util
... 一共 61+ 篇
目前在知识星球更新了《数据库实体设计》目录如下：
01. 商品模块
02. 交易模块
03. 营销模块
04. 公用模块
... 一共 17+ 篇
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