概述

前面分别介绍了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;}@Overridepublic 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;}@Overridepublic 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：

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) {                       // offerplace 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) { // releaseget 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 indexint bound;              // Last recorded value of Exchanger.boundint collides;           // Number of CAS failures at current boundint hash;               // Pseudo-random for spinsObject item;            // This thread's current itemvolatile Object match;  // Item provided by releasing threadvolatile Thread parked; // Set to this thread when parked, else 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。

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 argsif ((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 pNode 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 != nullif ((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.boundif (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 iint b, m, c; long j;                       // j is raw array offsetNode q = (Node)U.getObjectVolatile(a, j = (i << ASHIFT) + ABASE);if (q != null && U.compareAndSwapObject(a, j, q, null)) {Object v = q.item;                     // releaseq.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;                         // offerif (U.compareAndSwapObject(a, j, null, p)) {long end = (timed && m == 0) ? System.nanoTime() + ns : 0L;Thread t = Thread.currentThread(); // waitfor (int h = p.hash, spins = SPINS;;) {Object v = p.match;if (v != null) {U.putOrderedObject(p, MATCH, null);p.item = null;             // clear for next usep.hash = h;return v;}else if (spins > 0) {h ^= h << 1; h ^= h >>> 3; h ^= h << 10; // xorshiftif (h == 0)                // initialize hashh = 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 yetelse if (!t.isInterrupted() && m == 0 &&(!timed ||(ns = end - System.nanoTime()) > 0L)) {U.putObject(t, BLOCKER, this); // emulate LockSupportp.parked = t;              // minimize windowif (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 shrinkU.compareAndSwapInt(this, BOUND, b, b + SEQ - 1);p.item = null;p.hash = h;i = p.index >>>= 1;        // descendif (Thread.interrupted())return null;if (timed && m == 0 && ns <= 0L)return TIMED_OUT;break;                     // expired; restart}}}elsep.item = null;                     // clear offer}else {if (p.bound != b) {                    // stale; resetp.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}elsei = m + 1;                         // growp.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 。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。

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。

本文小结

本文介绍了J.U.C的并发工具类Exchanger相关的知识与内容。

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J.U.C之并发工具类：Exchanger

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应用示例

实现分析

exchange()方法

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