Exchanger源码分析
基于jdk1.8源码进行分析的。
Exchanger用于两个线程之间交换数据。
继承结构
public class Exchanger可以简单没有继承什么类，也没实现什么接口。
构造方法
public Exchanger() {
participant = new Participant();
}构造方法实例化Participant类。
成员方法
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。
@SuppressWarnings("unchecked")
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;
}如果另一个线程已经在交换点等待，则出于线程调度目的，继续执行此线程，并接收当前线程传入的对象。当前线程立即返回，接收其他线程传递的交换对象。
如果还没有其他线程在交换点等待，则出于调度目的，禁用当前线程，且在发生以下两种情况之一前，该线程将一直处于休眠状态：
- 其他某个线程进入交换点
- 其他某个线程中断当前线程
如果当前线程在进入此方法时已经设置了该线程的中断状态或者 在等待交换时被中断，则抛出 InterruptedException，并且清除当前线程的已中断状态。
exchange(V x, long timeout, TimeUnit unit)
等待另一个线程到达此交换点（除非当前线程被中断，或者超出了指定的等待时间），然后将给定的对象传送给该线程，同时接收该线程的对象。
@SuppressWarnings("unchecked")
public V exchange(V x, long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException, TimeoutException {
Object v;
Object item = (x == null) ? NULL_ITEM : x;
long ns = unit.toNanos(timeout);
if ((arena != null ||
(v = slotExchange(item, true, ns)) == null) &&
((Thread.interrupted() ||
(v = arenaExchange(item, true, ns)) == null)))
throw new InterruptedException();
if (v == TIMED_OUT)
throw new TimeoutException();
return (v == NULL_ITEM) ? null : (V)v;
}上面这么说可能还是太抽象了，下面我们写一个DEMO演示，我们继续往下看。
package demo;
import java.util.concurrent.Exchanger;
/**
* Exchanger测试例程
* @ClassName: ExchangerDemo
* @Description: TODO
* @author BurgessLee
* @date 2019年4月28日
*
*/
public class ExchangerDemo {
public static void main(String[] args) {
Exchanger exchanger = new Exchanger();
//当前一个线程执行的时候中断该线程，那么此时挂起的线程直接抛出异常结束
Thread t0 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程执行，交换前数据为1");
try {
String exchangeRes = exchanger.exchange("1");
System.out.println(Thread.currentThread().getName() +"-res=" + exchangeRes);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
},"Thread0");
t0.start();
t0.interrupt();
//单个线程执行的时候，直接挂起
// Thread t0 = new Thread(new Runnable() {
//
// @Override
// public void run() {
// System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程执行，交换前数据为1");
// try {
// String exchangeRes = exchanger.exchange("1");
// System.out.println(Thread.currentThread().getName() +"-res=" + exchangeRes);
// } catch (InterruptedException e) {
// e.printStackTrace();
// }
// }
// },"Thread0");
// t0.start();
//两个线程完成数据交换示例DEMO
// Thread t0 = new Thread(new Runnable() {
//
// @Override
// public void run() {
// System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程执行，交换前数据为1");
// try {
// String exchangeRes = exchanger.exchange("1");
// System.out.println(Thread.currentThread().getName() +"-res=" + exchangeRes);
// } catch (InterruptedException e) {
// e.printStackTrace();
// }
// }
// },"Thread0").start();
// new Thread(new Runnable() {
//
// @Override
// public void run() {
// System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程执行，交换前数据为2");
// try {
// String exchangeRes = exchanger.exchange("2");
// System.out.println(Thread.currentThread().getName() +"-res=" + exchangeRes);
// } catch (InterruptedException e) {
// e.printStackTrace();
// }
// }
// },"Thread1").start();
}
}
DEMO中演示了几种情况，分别是
- 两个线程执行的时候，完成两个线程之间的数据交换，直接结束
- 单个线程执行，完事被挂起
- 单个线程执行，完事中断该线程，直接抛出异常结束
Exchanger 有单槽位和多槽位之分，单个槽位在同一时刻只能用于两个线程交换数据，这样在竞争比较激烈的时候，会影响到性能，多个槽位就是多个线程可以同时进行两个的数据交换，彼此之间不受影响，这样可以很好的提高吞吐量。 单槽 Exchanger相对要简单许多，我们通过源码分析来看，一共该类有两个内部类，下面我们看一下具体的源码。
Node内部类：
@sun.misc.Contended static final class Node {
//arena的下标，多个槽位的时候利用
int index; // Arena index
//上一次记录的Exchanger.bound；
int bound; // Last recorded value of Exchanger.bound
//在当前bound下CAS失败的次数；
int collides; // Number of CAS failures at current bound
//用于自旋；
int hash; // Pseudo-random for spins
//这个线程的当前项，也就是需要交换的数据；
Object item; // This thread's current item
//交换的数据
volatile Object match; // Item provided by releasing thread
//线程
volatile Thread parked; // Set to this thread when parked, else null
}Participant：
/** The corresponding thread local class */
static final class Participant extends ThreadLocal {
public Node initialValue() { return new Node(); }
} 这个类也就是我们通过构造方法创建Exchanger实例化出来的类，可以见到，该类继承自ThreadLocal类，且只有一个方法用来返回一个Node实例，所以可以想到此时的Node就代表一个线程并且是线程安全的。
里面我们还看到两个成员属性定义：
//如果交换的数据为 null,则用NULL_ITEM 代替
private static final Object NULL_ITEM = new Object();
//如果超时，用timed_out替代
private static final Object TIMED_OUT = new Object();其他成员属性
//当前CPU可以用的进程数目
private static final int NCPU = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
//自旋次数
private static final int SPINS = 1 << 10;
//用于交换数据的槽位
private volatile Node slot; 下面我们再来重新看一下exchange方法。
exchange(V x)
不带时间参数的的成员方法，当然还有一个带有时间参数的exchange方法，此处就不在介绍，以为相比之下，就在月是否有时间限制，即超时判断。
@SuppressWarnings("unchecked")
public V exchange(V x) throws InterruptedException {
//定义变量
Object v;
//如果x为空那么直接用NULL_ITEM替代，否则item=x
//进行数据校验控制
Object item = (x == null) ? NULL_ITEM : x;
//private volatile Node[] arena;
//arena是一个node数组，而且是标记有volatile关键字
//单槽操作通过slotExchange实现的
//arena为空，说明是单槽操作，如果不为空，那么是多槽操作，单槽操纵失败
//多槽操作是通过arenaExchange实现的
if ((arena != null ||
(v = slotExchange(item, false, 0L)) == null)
&&
( (Thread.interrupted() || // disambiguates null return 线程中断情况
(v = arenaExchange(item, false, 0L)) == null))
)
//抛出异常
throw new InterruptedException();
//
return (v == NULL_ITEM) ? null : (V)v;
}里面涉及到slotExchange方法的实现，这个方法代码稍微有点长。
private final Object slotExchange(Object item, boolean timed, long ns) {
//从ThreadLocal获取Node节点
Node p = participant.get();
//记录当前线程
Thread t = Thread.currentThread();
//如果当前线程中断，返回NULL
if (t.isInterrupted())
return null;
//死循环
for (Node q;;) {
//private volatile Node slot;
//槽位solt不为null,则说明已经有线程在这里等待交换数据了
//那么此时进行交换数据，如果交换成功，直接返回。
if ((q = slot) != null) {
//重置槽位
if (U.compareAndSwapObject(this, SLOT, q, null)) {
//获取交换的数据
Object v = q.item;
//等待线程需要的数据
q.match = item;
//等待线程
Thread w = q.parked;
//唤醒等待的线程
if (w != null)
U.unpark(w);
//返回的是v，也就是需要交换的数据
return v;
}
//存在竞争，其它线程抢先了一步该线程，因此需要采用多槽位模式，这个后面再分析
//实例化arena，然后继续执行循环，知道slot为空或者上面不为空情况，交换成功
if (NCPU > 1 && bound == 0 &&
U.compareAndSwapInt(this, BOUND, 0, SEQ))
arena = new Node[(FULL + 2) << ASHIFT];//可能继续循环，或者往下执行
}
//多槽位不为空，需要执行多槽位交换
else if (arena != null)
return null;//直接返回了，说明单槽交换失败了
//到这里slot为空，arena为空
//只有当前线程，所以自己占槽位，并维护对应的状态值
else {//还没有其他线程来占据槽位
p.item = item;
//设置槽位为p(也就是槽位被当前线程占据)
//槽位占成功，那么退出循环
if (U.compareAndSwapObject(this, SLOT, null, p))
break;//退出无限循环 --->往西继续执行
//如果设置槽位失败，则有可能其他线程抢先了，重置item,重新循环
p.item = null;//继续循环
}
}
//当前线程占据槽位，等待其它线程来交换数据
int h = p.hash;
long end = timed ? System.nanoTime() + ns : 0L;
int spins = (NCPU > 1) ? SPINS : 1;
Object v;
//直到成功交换到数据
while ((v = p.match) == null) {
if (spins > 0) {//自旋
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)
// 主动让出cpu,这样可以提供cpu利用率
//（反正当前线程也自旋等待，还不如让其它任务占用cpu）
Thread.yield();
}
//其它线程来交换数据了，修改了solt,但是还没有设置match,再稍等一会
else if (slot != p)
spins = SPINS;
//需要阻塞等待其它线程来交换数据
//没发生中断，并且是单槽交换，没有设置超时或者超时时间未到 则继续执行
else if (!t.isInterrupted() && arena == null &&
(!timed || (ns = end - System.nanoTime()) > 0L)) {
//cas设置BLOCKER，可以参考Thread 中的parkBlocker
U.putObject(t, BLOCKER, this);
//需要挂起当前线程
p.parked = t;
if (slot == p)
U.park(false, ns);//阻塞当前线程
//被唤醒后
p.parked = null;
//清空BLOCKER
U.putObject(t, BLOCKER, null);
}
//不满足前面 else if 条件，交换失败，需要重置solt
else if (U.compareAndSwapObject(this, SLOT, p, null)) {
v = timed && ns <= 0L && !t.isInterrupted() ? TIMED_OUT : null;
break;
}
}
//清空match
U.putOrderedObject(p, MATCH, null);
p.item = null;
p.hash = h;
//返回交换得到的数据（失败则为null）
return v;
}1.当一个线程来交换数据时，如果发现槽位（solt）有数据时，说明其它线程已经占据了槽位，等待交换数据，那么当前线程就和该槽位进行数据交换，设置相应字段。
2.如果交换失败，则说明其它线程抢先了该线程一步和槽位交换了数据，那么这个时候就存在竞争了，这个时候就会生成多槽位（area）,后面就会进行多槽位交换了。
3.如果来交换的线程发现槽位没有被占据，啊哈，这个时候自己就把槽位占据了，如果占据失败，则有可能其他线程抢先了占据了槽位，重头开始循环。
4.当来交换的线程占据了槽位后，就需要等待其它线程来进行交换数据了，首先自己需要进行一定时间的自旋，因为自旋期间有可能其它线程就来了，那么这个时候就可以进行数据交换工作，而不用阻塞等待了；如果不幸，进行了一定自旋后，没有其他线程到来，那么还是避免不了需要阻塞（如果设置了超时等待，发生了超时或中断异常，则退出，不阻塞等待）。当准备阻塞线程的时候，发现槽位值变了，那么说明其它线程来交换数据了，但是还没有完全准备好数据，这个时候就不阻塞了，再稍微等那么一会；如果始终没有等到其它线程来交换，那么就挂起当前线程。
5.当其它线程到来并成功交换数据后，会唤醒被阻塞的线程，阻塞的线程被唤醒后，拿到数据（如果是超时，或中断，则数据为null）返回，结束。
以上就是单槽过程的分析了。下面我们看多槽位情况分析。
多槽位呢，实际就是一个Node 数组，代表了很多的槽位。同样内部类Node就不在粘贴代码了。
//用来避免伪共享的情况 关于伪共享，不理解的可以自行搜索一下
//1 << ASHIFT 可以避免两个Node在同一个共享区
private static final int ASHIFT = 7;初始化arena 时会设置bound为SEQ(SEQ=MMASK + 1)。MMASK 值为255，二进制：8个1
arena的大小为(FULL + 2) << ASHIFT，因为1 << ASHIFT 是用于避免伪共享的，因此实际有效的Node 只有FULL + 2 个，这个我们从后面的代码也可以得出。
// create arena on contention, but continue until slot null
if (NCPU > 1 && bound == 0 &&
U.compareAndSwapInt(this, BOUND, 0, SEQ))
arena = new Node[(FULL + 2) << ASHIFT];下面我们看一下多曹情况具体方法的实现。
arenaExchange
private final Object arenaExchange(Object item, boolean timed, long ns) {
// 槽位数组
Node[] a = arena;
//代表当前线程的Node
Node p = participant.get(); // p.index 初始值为 0
for (int i = p.index;;) { // access slot at i
int b, m, c; long j; // j is raw array offset
//在槽位数组中根据"索引" i 取出数据 j相当于是 "第一个"槽位
Node q = (Node)U.getObjectVolatile(a, j = (i << ASHIFT) + ABASE);
// 该位置上有数据(即有线程在这里等待交换数据)
if (q != null && U.compareAndSwapObject(a, j, q, null)) {
// 进行数据交换，这里和单槽位的交换是一样的
Object v = q.item; // release
q.match = item;
Thread w = q.parked;
if (w != null)
U.unpark(w);
return v;
}
// bound 是最大的有效的 位置，和MMASK相与，得到真正的存储数据的索引最大值
else if (i <= (m = (b = bound) & MMASK) && q == null) {
// i 在这个范围内，该槽位也为空
//将需要交换的数据 设置给p
p.item = item; // offer
//设置该槽位数据(在该槽位等待其它线程来交换数据)
if (U.compareAndSwapObject(a, j, null, p)) {
long end = (timed && m == 0) ? System.nanoTime() + ns : 0L;
Thread t = Thread.currentThread(); // wait
// 进行一定时间的自旋
for (int h = p.hash, spins = SPINS;;) {
Object v = p.match;
//在自旋的过程中，有线程来和该线程交换数据
if (v != null) {
//交换数据后，清空部分设置，返回交换得到的数据，over
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
}
// 交换数据的线程到来，但是还没有设置好match，再稍等一会
else if (U.getObjectVolatile(a, j) != p)
spins = SPINS;
//符合条件，特别注意m==0 这个说明已经到达area 中最小的存储数据槽位了
//没有其他线程在槽位等待了，所有当前线程需要阻塞在这里
else if (!t.isInterrupted() && m == 0 &&
(!timed ||
(ns = end - System.nanoTime()) > 0L)) {
U.putObject(t, BLOCKER, this); // emulate LockSupport
p.parked = t; // minimize window
// 再次检查槽位，看看在阻塞前，有没有线程来交换数据
if (U.getObjectVolatile(a, j) == p)
U.park(false, ns); // 挂起
p.parked = null;
U.putObject(t, BLOCKER, null);
}
// 当前这个槽位一直没有线程来交换数据，准备换个槽位试试
else if (U.getObjectVolatile(a, j) == p &&
U.compareAndSwapObject(a, j, p, null)) {
//更新bound
if (m != 0) // try to shrink
U.compareAndSwapInt(this, BOUND, b, b + SEQ - 1);
p.item = null;
p.hash = h;
// 减小索引值 往"第一个"槽位的方向挪动
i = p.index >>>= 1; // descend
// 发送中断，返回null
if (Thread.interrupted())
return null;
// 超时
if (timed && m == 0 && ns <= 0L)
return TIMED_OUT;
break; // expired; restart 继续主循环
}
}
}
else
//占据槽位失败，先清空item,防止成功交换数据后，p.item还引用着item
p.item = null; // clear offer
}
else { // i 不在有效范围，或者被其它线程抢先了
//更新p.bound
if (p.bound != b) { // stale; reset
p.bound = b;
//新bound ，重置collides
p.collides = 0;
//i如果达到了最大，那么就递减
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; // 更新冲突
// i=0 那么就从m开始，否则递减i
i = (i == 0) ? m : i - 1; // cyclically traverse
}
else
//递增，往后挪动
i = m + 1; // grow
// 更新index
p.index = i;
}
}
}整体执行逻辑较为复杂，此处贴上给出的思路。
1. 从场地中选出偏移地址为(i << ASHIFT) + ABASE的内存值，也即第i个真正可用的Node，判断其槽位是否为空，为空，进入【步骤2】；不为空，说明有线程在此等待，尝试抢占该槽位，抢占成功，交换数据，并唤醒等待线程，返回，结束；没有抢占成功，进入【步骤9】
2. 检查索引（i vs m）是否越界，越界，进入【步骤9】；没有越界，进入下一步。
3. 尝试占有该槽位，抢占失败，进入【步骤1】；抢占成功，进入下一步。
4. 检查match，是否有线程来交换数据，如果有，交换数据，结束；如果没有，进入下一步。
5. 检查spin是否大于0，如果不大于0，进入下一步；如果大于0，检查hash是否小于0，并且spin减半或为0，如果不是，进入【步骤4】；如果是，让出CPU时间，过一会儿，进入【步骤4】
6. 检查是否中断，m达到最小值，是否超时，如果没有中断，没有超时，并且m达到最小值，阻塞，过一会儿进入【步骤4】；否则，下一步。
7. 没有线程来交换数据，尝试丢弃原有的槽位重新开始，丢弃失败，进入【步骤4】；否则，下一步。
8. bound减1（m>0），索引减半；检查是否中断或超时，如果没有，进入【步骤1】；否则，返回，结束。
9. 检查bound是否发生变化，如果变化了，重置collides，索引重置为m或左移，转向【步骤1】；否则，进入下一步。
10. 检查collides是否达到最大值，如果没有，进入【步骤13】，否则下一步。
11. m是否达到FULL，是，进入【步骤13】；否则，下一步。
12. CAS bound加1是否成功，如果成功，i置为m+1，槽位增长，进入【步骤1】；否则，下一步。
13. collides加1，索引左移，进入【步骤1】
来自http://www.cnblogs.com/aniao/p/aniao_exchanger.html
以上就是此次针对Exchanger的源码分析过程了。如果有不对的地方还请指正，谢谢。