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类图
Exchanger 是一个用于线程间协作的工具类，Exchanger用于进行线程间的数据交换，它提供一个同步点，在这个同步点，两个线程可以交换彼此的数据。这两个线程通过exchange 方法交换数据，如果第一个线程先执行exchange 方法，它会一直等待第二个线程也执行exchange 方法，当两个线程都到达同步点时，这两个线程就可以交换数据。
源码：
package java.util.concurrent;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
import java.util.concurrent.locks.LockSupport;
public class Exchanger {
private static final int ASHIFT = 7;
private static final int MMASK = 0xff;
private static final int SEQ = MMASK + 1;
private static final int NCPU = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
static final int FULL = (NCPU >= (MMASK << 1)) ? MMASK : NCPU >>> 1;
private static final int SPINS = 1 << 10;// 自旋次数
private static final Object NULL_ITEM = new Object();//如果交换的数据为null,则用NULL_ITEM代替
private static final Object TIMED_OUT = new Object();
private final Participant participant;//每个线程的数据，ThreadLocal 子类
private volatile Node[] arena;
private volatile Node slot;// 用于交换数据的槽位
private volatile int bound;
@sun.misc.Contended static final class Node {
int index; //arena的下标，多个槽位的时候利用
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; // 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; // 交换的数据
volatile Thread parked; // 线程
}
static final class Participant extends ThreadLocal {
// 初始值返回Node
public Node initialValue() {
return new Node();
}
}
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;
}
}
}
private final Object slotExchange(Object item, boolean timed, long ns) {
// 得到一个初试的Node
Node p = participant.get();
// 当前线程
Thread t = Thread.currentThread();
// 如果发生中断，返回null,会重设中断标志位，并没有直接抛异常
if (t.isInterrupted()) // preserve interrupt status so caller can recheck
return null;
for (Node q;;) {
// 槽位 solt不为null,则说明已经有线程在这里等待交换数据了
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);
return v; // 返回拿到的数据，交换完成
}
// create arena on contention, but continue until slot null
//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
if (NCPU > 1 && bound == 0 &&
U.compareAndSwapInt(this, BOUND, 0, SEQ))
arena = new Node[(FULL + 2) << ASHIFT];
}else if (arena != null) //多槽位不为空，需要执行多槽位交换
return null; // caller must reroute to arenaExchange
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)
if (U.compareAndSwapObject(this, SLOT, null, p))
break; // 退出无限循环
p.item = null; // 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
}
}
//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();
}
else if (slot != p) //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
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;
}
public Exchanger() {
participant = new Participant();
}
public V exchange(V x) throws InterruptedException {
Object v;
Object item = (x == null) ? NULL_ITEM : x;
if ((arena != null ||
(v = slotExchange(item, false, 0L)) == null) &&
((Thread.interrupted() ||
(v = arenaExchange(item, false, 0L)) == null)))
throw new InterruptedException();
return (v == NULL_ITEM) ? null : (V)v;
}
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;
}
private static final sun.misc.Unsafe U;
private static final long BOUND;
private static final long SLOT;
private static final long MATCH;
private static final long BLOCKER;
private static final int ABASE;
static {
int s;
try {
U = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
Class ek = Exchanger.class;
Class nk = Node.class;
Class ak = Node[].class;
Class tk = Thread.class;
BOUND = U.objectFieldOffset
(ek.getDeclaredField("bound"));
SLOT = U.objectFieldOffset
(ek.getDeclaredField("slot"));
MATCH = U.objectFieldOffset
(nk.getDeclaredField("match"));
BLOCKER = U.objectFieldOffset
(tk.getDeclaredField("parkBlocker"));
s = U.arrayIndexScale(ak);
ABASE = U.arrayBaseOffset(ak) + (1 << ASHIFT);
} catch (Exception e) {
throw new Error(e);
}
if ((s & (s-1)) != 0 || s > (1 << ASHIFT))
throw new Error("Unsupported array scale");
}
}
类 Exchanger
类型参数：
V - 可以交换的对象类型
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。
用法示例：使用 Exchanger 在线程间交换缓冲区。在需要时，填充缓冲区的线程获取一个新腾空的缓冲区，并将填满的缓冲区传递给腾空缓冲区的线程。
class FillAndEmpty {
Exchanger exchanger = new Exchanger();
DataBuffer initialEmptyBuffer = ...
DataBuffer initialFullBuffer = ...
class FillingLoop implements Runnable {
public void run() {
DataBuffer currentBuffer = initialEmptyBuffer;
try {
while (currentBuffer != null) {
addToBuffer(currentBuffer);
if (currentBuffer.isFull())
currentBuffer = exchanger.exchange(currentBuffer);
}
} catch (InterruptedException ex) { ... handle ... }
}
}
class EmptyingLoop implements Runnable {
public void run() {
DataBuffer currentBuffer = initialFullBuffer;
try {
while (currentBuffer != null) {
takeFromBuffer(currentBuffer);
if (currentBuffer.isEmpty())
currentBuffer = exchanger.exchange(currentBuffer);
}
} catch (InterruptedException ex) { ... handle ...}
}
}
void start() {
new Thread(new FillingLoop()).start();
new Thread(new EmptyingLoop()).start();
}
}
构造方法摘要
Exchanger() 创建一个新的 Exchanger。 |
方法摘要
V |
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。 |
V |
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。 |
Exchanger
public Exchanger()
创建一个新的 Exchanger。
exchange
public V exchange(V x) throws InterruptedException
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。
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；或者
- 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。
参数：
x - 要交换的对象
返回：
另一个线程提供的对象
抛出：
InterruptedException - 如果当前线程在等待时被中断
exchange
public V exchange(V x, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, TimeoutException
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。
如果另一个线程已经在交换点上等待，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，并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，且在发生以下三种情况之一前，该线程将一直处于休眠状态：
- 其他某个线程进入交换点；或者
- 其他某个线程中断当前线程；或者
- 已超出指定的等待时间。
如果当前线程：
- 在进入此方法时已经设置其中断状态；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。
如果超出指定的等待时间，则抛出 TimeoutException 异常。如果该时间小于等于零，则此方法根本不会等待。
参数：
x - 要交换的对象
timeout - 要等待的最长时间
unit - timeout 参数的时间单位
返回：
其他线程提供的对象
抛出：
InterruptedException - 如果当前线程在等待时被中断
TimeoutException - 如果在另一个线程进入交换点之前已经到达指定的等待时间
使用实例：
线程交换各自拥有的值：
package com.thread;
import java.util.concurrent.Exchanger;
public class ExchangerDemo extends Thread {
private Exchanger exchanger;
private String name;
public ExchangerDemo(String name, Exchanger exchanger) {
this.exchanger = exchanger;
this.name = name;
}
public void run() {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + exchanger.exchange(this.name));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public static void main(String[] args) {
Exchanger exchanger = new Exchanger<>();
ExchangerDemo exchangerDemo1 = new ExchangerDemo("demo1", exchanger);
exchangerDemo1.setName("exchanger1");
ExchangerDemo exchangerDemo2 = new ExchangerDemo("demo2", exchanger);
exchangerDemo2.setName("exchanger2");
exchangerDemo1.start();
exchangerDemo2.start();
}
}
运行结果：
exchanger1: demo2
exchanger2: demo1
从输出的值可以看到，两个线程的值已经发生了交换。