20、【死磕Java并发】—–第十九篇J.U.C之并发工具类：Exchanger
原文出处：http://cmsblogs.com/ 『chenssy』
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;
}
@Override
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;
}
@Override
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：
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：
@sun.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
@sun.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)
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。
6.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！
希望读者能够给小编留言，也可以点击[此处扫下面二维码关注微信公众号](https://www.ycbbs.vip/?p=28 "此处扫下面二维码关注微信公众号")
看完两件小事
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