Java多线程同步工具类：Semaphore、CountDownLatch 、CyclicBarrier、Exchanger原理剖析
Java多线程同步工具类：Semaphore、CountDownLatch 、CyclicBarrier、Exchanger原理剖析
文章目录
- Java多线程同步工具类：Semaphore、CountDownLatch 、CyclicBarrier、Exchanger原理剖析
- 一、Semaphore
-
- 原理剖析
- 实战案例
- 二、CountDownLatch
-
- 原理剖析
-
- await()实现分析
- countDown()实现分析
- 总结
- 实战案例
- 三、CyclicBarrier
-
- 原理剖析
- 实战案例
- 四、Exchanger
-
- 原理剖析
-
- exchange(V x)实现分析
- slotExchange的实现
- arenaExchange的实现
- 实战案例
前驱知识准备：AbstractQueuedSynchronizer队列同步器
[Java多线程之：队列同步器AbstractQueuedSynchronizer原理剖析]
一、Semaphore
原理剖析
Semaphore也就是信号量，提供了资源数量的并发访问控制，可以用于限制访问某些资源（物理或逻辑的）的线程数目。Semaphore是AQS队列同步器中对共享锁的子类实现。Semaphore维护了一个许可证集合，有多少资源需要限制就维护多少许可证集合，假如这里有N个资源，那就对应于N个许可证，同一时刻也只能有N个线程访问。一个线程获取许可证就调用acquire方法，用完了释放资源就调用release方法。
Semaphore核心代码功能使用如下所示：
// ⼀开始有5份共享资源。第⼆个参数表示是否是公平
Semaphore myResources = new Semaphore(5, true);
// 工作线程每获取⼀份资源，就在该对象上记下来
// 在获取的时候是按照公平的方式还是非公平的方式，就要看上⼀行代码的第二个参数了。
// ⼀般⾮公平抢占效率较高。
myResources.acquire();
// 工作线程每归还⼀份资源，就在该对象上记下来
// 此时资源可以被其他线程使⽤
myResources.release();
/*
释放指定数目的许可，并将它们归还给信标。
可用许可数加上该指定数目。
如果线程需要获取N个许可，在有N个许可可用之前，该线程阻塞。
如果线程获取了N个许可，还有可用的许可，则依次将这些许可赋予等待获取许可的其他线程。
*/
semaphore.release(2);
/*
从信标获取指定数⽬的许可。如果可用许可数目不够，则线程阻塞，直到被中断。
该⽅法效果与循环相同，
for (int i = 0; i < permits; i++) acquire();
只不过该方法是原⼦操作。
如果可用许可数不够，则当前线程阻塞，直到：（⼆选⼀）
1. 如果其他线程释放了许可，并且可用的许可数满足当前线程的请求数字；
2. 其他线程中断了当前线程。
permits – 要获取的许可数
*/
semaphore.acquire(3);
Semaphore在争抢资源时的示意图如下图所示，假设有n个线程来获取Semaphore⾥⾯的10份资源（n > 10）， n个线程中只有10个线程能获取到，其他线程都会阻塞。直到有线程释放了资源，其他线程才能获取到。
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ro65uLPv-1670164010648)(E:\笔记\截图\SemaPhore争抢资源示意图.png)]
当初始的资源个数为1的时候， Semaphore退化为排他锁。正因为如此， Semaphone的实现原理和锁十分类似，是基于AQS，有公平和非公平之分。
public void acquire() throws InterruptedException {
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
public void release() {
sync.releaseShared(1);
}
SemaPhore也是使用了队列同步器AbstractQueuedSynchronizer来实现多线程间的同步操作，abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer。
acquire()方法通过判断剩余资源数和线程所需资源数的差值是否小于0，如果小于0，则当前线程进行阻塞，如果大于0，对state变量（state变量在AQS中表示同步状态）进行CAS减操作，减到0之后，线程阻塞。在release里对state变量进行CAS加操作。
public class Semaphore {
protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
for (;;) {
int current = getState();
int next = current + releases;
if (next < current) // overflow
throw new Error("Maximum permit count exceeded");
if (compareAndSetState(current, next))
return true;
}
}
static final class FairSync extends Sync {
// ...
FairSync(int permits) {
super(permits);
}
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
for (;;) {
if (hasQueuedPredecessors())
return -1;
int available = getState();
// 判断剩余资源数，如果<0，说明资源数不够了，获取资源失败
int remaining = available - acquires;
if (remaining < 0 || compareAndSetState(available, remaining))
return remaining;
}
}
}
}
/**
* Acquires in shared interruptible mode.
* @param arg the acquire argument
*/
private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
// addWaiter将当前线程封装成共享节点，放在等待队列尾部
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
for (;;) {
// 当前线程前驱节点
final Node p = node.predecessor();
if (p == head) {
// 尝试获取args数量的资源数，如果资源数不够，则返回<0
int r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {
// 向后传播唤醒当前节点后的节点
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return;
}
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
throw new InterruptedException();
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
关于该方法的更多详细原理剖析，可以看AQS介绍的相关博客：[Java多线程之：队列同步器AbstractQueuedSynchronizer原理剖析](https://blog.csdn.net/Urbanears/article/details/128177063?spm=1001.2014.3001.5502)
实战案例
下面给出一个案例来测试Semaphore的使用：
case: 自习室抢座，写作业：
抢座位的线程：
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.Semaphore;
public class MyThread extends Thread {
private final Semaphore semaphore;
private final Random random = new Random();
public MyThread(String name, Semaphore semaphore) {
super(name);
this.semaphore = semaphore;
}
@Override
public void run() {
try {
semaphore.acquire();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - 抢座成功，开始写作业");
Thread.sleep(random.nextInt(1000));
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - 作业完成，腾出座位");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
semaphore.release();
}
}
主方法：
import java.util.concurrent.Semaphore;
public class Demo {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Semaphore semaphore = new Semaphore(2);
for (int i = 0; i < 5; i++) {
new MyThread("学⽣-" + (i + 1), semaphore).start();
}
}
}
上面主方法中，调用new Semaphore(2)定义了2份共享资源，或者两份许可证，也就是同一时刻最多只允许2个线程执行。输出结果：
学⽣-1 - 抢座成功，开始写作业
学⽣-2 - 抢座成功，开始写作业
学⽣-2 - 作业完成，腾出座位
学⽣-3 - 抢座成功，开始写作业
学⽣-1 - 作业完成，腾出座位
学⽣-4 - 抢座成功，开始写作业
学⽣-3 - 作业完成，腾出座位
学⽣-5 - 抢座成功，开始写作业
学⽣-5 - 作业完成，腾出座位
学⽣-4 - 作业完成，腾出座位
二、CountDownLatch
原理剖析
CountDownLoatch类常被用于计数递减的多线程同步中。在构造CountDownLatch的时候需要传入一个整数n，在这个整数“倒数”到0之前，主线程需要等待，而这个“倒数”过程则是由各个执行线程驱动的，每个线程执行完一个任务“倒数”一次。
下图为CountDownLatch相关类的继承层次， CountDownLatch原理和Semaphore原理类似，同样是基于AQS，不过没有公平和非公平之分。
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ThWA3Ee0-1670164010650)(E:\笔记\截图\CountDownLatch1.png)]
await()实现分析
public void await() throws InterruptedException {
// AQS的模板⽅法
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
// 被CountDownLatch.Sync实现
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
return (getState() == 0) ? 1 : -1;
}
从tryAcquireShared(…)⽅法的实现来看，只要state != 0，调⽤await()方法的线程便会被放⼊AQS的阻塞队列，进⼊阻塞状态。
countDown()实现分析
public void countDown() {
sync.releaseShared(1);
}
// AQS的模板⽅法
public final boolean releaseShared(int arg) {
// 由CountDownLatch.Sync实现
if (tryReleaseShared(arg)) {
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
// Decrement count; signal when transition to zero
for (;;) {
int c = getState();
if (c == 0)
return false;
int nextc = c - 1;
if (compareAndSetState(c, nextc))
return nextc == 0;
}
}
countDown()调用的AQS的模板方法releaseShared()，里面的tryReleaseShared()由CountDownLatch.Sync实现。从上面的代码可以看出，只有state=0， tryReleaseShared()才会返回true，然后执行doReleaseShared(…)，⼀次性唤醒队列中所有阻塞的线程。
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总结
由于是基于AQS阻塞队列来实现的，所以可以让多个线程都阻塞在state=0条件上，通过countDown()⼀直减state，减到0后⼀次性唤醒所有线程。如上图所示，假设初始总数为M， N个线程await()， M个线程countDown()，减到0之后， N个线程被唤醒。
实战案例
假设⼀个主线程要等待5个 Worker 线程执行完才能退出，可以使用CountDownLatch来实现：
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
public class MyThread extends Thread {
private final CountDownLatch latch;
private final Random random = new Random();
public MyThread(String name, CountDownLatch latch) {
super(name);
this.latch = latch;
}
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(random.nextInt(2000));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "运⾏结束");
latch.countDown();
}
}
主方法：
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
public class Main {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
CountDownLatch latch = new CountDownLatch(5);
new MyThread("线程1", latch).start();
new MyThread("线程2", latch).start();
new MyThread("线程3", latch).start();
new MyThread("线程4", latch).start();
// new MyThread("线程5", latch).start();
// 主线程等待，直到计数为0
latch.await();
System.out.println("程序运⾏结束");
}
}
三、CyclicBarrier
原理剖析
CyclicBarrier使用方式比较简单：
CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5);
barrier.await();
该类用于协调多个线程同步执行操作的场合。
CyclicBarrier基于ReentrantLock+Condition实现 。
public class CyclicBarrier {
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
// ⽤于线程之间相互唤醒
private final Condition trip = lock.newCondition();
// 线程总数
private final int parties;
private int count;
private Generation generation = new Generation();
// ...
}
下面详细介绍 CyclicBarrier 的实现原理。先看构造方法：
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
// 参与⽅数量
this.parties = parties;
this.count = parties;
// 当所有线程被唤醒时，执⾏barrierCommand表示的Runnable。
this.barrierCommand = barrierAction;
}
接下来看⼀下await()方法的实现过程。
public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
try {
return dowait(false, 0L);
} catch (TimeoutException toe) {
throw new Error(toe); // cannot happen
}
}
/**
* Main barrier code, covering the various policies.
*/
private int dowait(boolean timed, long nanos)
throws InterruptedException, BrokenBarrierException,
TimeoutException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
final Generation g = generation;
if (g.broken)
throw new BrokenBarrierException();
// 响应中断
if (Thread.interrupted()) {
// 唤醒所有阻塞的线程
breakBarrier();
throw new InterruptedException();
}
// 每个线程调用一次await()
int index = --count;
// 当count减成0的时候，此线程唤醒其他所有线程
if (index == 0) { // tripped
boolean ranAction = false;
try {
final Runnable command = barrierCommand;
if (command != null)
command.run();
ranAction = true;
nextGeneration();
return 0;
} finally {
if (!ranAction)
breakBarrier();
}
}
// loop until tripped, broken, interrupted, or timed out
for (;;) {
try {
if (!timed)
trip.await();
else if (nanos > 0L)
nanos = trip.awaitNanos(nanos);
} catch (InterruptedException ie) {
if (g == generation && ! g.broken) {
breakBarrier();
throw ie;
} else {
// We're about to finish waiting even if we had not
// been interrupted, so this interrupt is deemed to
// "belong" to subsequent execution.
Thread.currentThread().interrupt();
}
}
if (g.broken)
throw new BrokenBarrierException();
if (g != generation)
return index;
if (timed && nanos <= 0L) {
breakBarrier();
throw new TimeoutException();
}
}
} finally {
lock.unlock();
}
}
private void nextGeneration() {
// signal completion of last generation
trip.signalAll();
// set up next generation
count = parties;
generation = new Generation();
}
关于上面的方法，有几点说明：
- **CyclicBarrier是可以被重用的。**比如对于10个线程，这10个线程互相等待，到齐后⼀起被唤醒，各自执行接下来的逻辑。然后，这10个线程继续互相等待，到齐后再⼀起被唤醒。每⼀轮被称为⼀个Generation，就是⼀次同步点。
- CyclicBarrier 会响应中断。 10 个线程没有到齐，如果有线程收到了中断信号，所有阻塞的线程也会被唤醒，就是上⾯的breakBarrier()方法。然后count被重置为初始值（parties），重新开始。
- 上面的回调方法， barrierAction只会被第10个线程执行1次（在唤醒其他9个线程之前），而不是10个线程每个都执行1次。
实战案例
使用场景： 10个工程师⼀起来公司应聘，招聘方式分为笔试和面试。首先，要等⼈到齐后，开始笔试。笔试结束之后，再⼀起参加面试。把10个⼈看作10个线程， 10个线程之间的同步过程如下图所示：
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-vsxIf3Nv-1670164010650)(E:\笔记\截图\CyclicBarrier.png)]
Main类：
import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
public class Main {
public static void main(String[] args) throws BrokenBarrierException,
InterruptedException {
CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5);
for (int i = 0; i < 5; i++) {
new MyThread("线程-" + (i + 1), barrier).start();
}
}
}
MyThread类：
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
public class MyThread extends Thread {
private final CyclicBarrier barrier;
private final Random random = new Random();
public MyThread(String name, CyclicBarrier barrier) {
super(name);
this.barrier = barrier;
}
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(random.nextInt(2000));
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - 已经到达公司");
barrier.await();
Thread.sleep(random.nextInt(2000));
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - 已经笔试结束");
barrier.await();
Thread.sleep(random.nextInt(2000));
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - 已经⾯试结束");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (BrokenBarrierException e) {
e.printStackTrace();
}
super.run();
}
}
在整个过程中，有2个同步点：第1个同步点，要等所有应聘者都到达公司，再⼀起开始笔试；第2个同步点，要等所有应聘者都结束笔试，之后⼀起进⼊面试环节。
输出结果：
线程-2 - 已经到达公司
线程-1 - 已经到达公司
线程-5 - 已经到达公司
线程-3 - 已经到达公司
线程-4 - 已经到达公司
线程-3 - 已经笔试结束
线程-2 - 已经笔试结束
线程-1 - 已经笔试结束
线程-4 - 已经笔试结束
线程-5 - 已经笔试结束
线程-1 - 已经面试结束
线程-4 - 已经面试结束
线程-2 - 已经面试结束
线程-5 - 已经面试结束
线程-3 - 已经面试结束
可以看到，每次5个线程结束后，才会执行barrier.await();下面的代码。
四、Exchanger
原理剖析
Exchanger用于于线程之间交换数据，其核心机制和Lock⼀样，也是CAS+park/unpark。
首先，在Exchanger内部，有两个内部类： Participant和Node，代码如下：
public class Exchanger<V> {
// ...
// 添加了Contended注解，表示伪共享与缓存⾏填充
@jdk.internal.vm.annotation.Contended static final class Node {
int index; // Arena index
int bound; // Last recorded value of Exchanger.bound
int collides; // 本次绑定中， CAS操作失败次数
int hash; // ⾃旋伪随机
Object item; // 本线程要交换的数据
volatile Object match; // 对⽅线程交换来的数据
// 当前线程
volatile Thread parked; // 当前线程阻塞的时候设置该属性，不阻塞为null。
}
static final class Participant extends ThreadLocal<Node> {
public Node initialValue() { return new Node(); }
}
// ...
}
每个线程在调用exchange(...)方法交换数据的时候，会先创建⼀个Node对象。
这个Node对象就是对该线程的包装，里面包含了3个重要字段：第⼀个是该线程要交互的数据，第⼆个是对方线程交换来的数据，最后⼀个是该线程自身。
⼀个Node只能⽀持2个线程之间交换数据，要实现多个线程并行地交换数据，需要多个Node，因此在Exchanger里面定义了Node数组：
/**
* Elimination array; null until enabled (within slotExchange).
* Element accesses use emulation of volatile gets and CAS.
*/
private volatile Node[] arena;
exchange(V x)实现分析
明白了⼤致思路，下面来看exchange(V x)⽅法的详细实现：
@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;
}
上面方法中
- 如果arena不是null，表示启⽤了arena方式交换数据。如果arena不是null，并且线程被中断，则抛异常
- 如果arena不是null，并且arenaExchange的返回值为null，则抛异常。对⽅线程交换来的null值是封装为NULL_ITEM对象的，而不是null。
- 如果slotExchange的返回值是null，并且线程被中断，则抛异常。
- 如果slotExchange的返回值是null，并且areaExchange的返回值是null，则抛异常。
slotExchange的实现
public class Exchanger<V> {
// ...
/**
* 如果不启⽤arenas，则使⽤该⽅法进⾏线程间数据交换。
*
* @param item 需要交换的数据
* @param timed 是否是计时等待， true表示是计时等待
* @param ns 如果是计时等待，该值表示最⼤等待的时⻓。
* @return 对⽅线程交换来的数据；如果等待超时或线程中断，或者启⽤了arena，则返回null。
*/
private final Object slotExchange(Object item, boolean timed, long ns) {
// participant在初始化的时候设置初始值为new Node()
// 获取本线程要交换的数据节点
Node p = participant.get();
// 获取当前线程
Thread t = Thread.currentThread();
// 如果线程被中断，则返回null。
if (t.isInterrupted())
return null;
for (Node q;;) {
// 如果slot⾮空，表明有其他线程在等待该线程交换数据
if ((q = slot) != null) {
// CAS操作，将当前线程的slot由slot设置为null
// 如果操作成功，则执⾏if中的语句
if (SLOT.compareAndSet(this, q, null)) {
// 获取对⽅线程交换来的数据
Object v = q.item;
// 设置要交换的数据
q.match = item;
// 获取q中阻塞的线程对象
Thread w = q.parked;
if (w != null)
// 如果对⽅阻塞的线程⾮空，则唤醒阻塞的线程
LockSupport.unpark(w);
return v;
}
// create arena on contention, but continue until slot null
// 创建arena⽤于处理多个线程需要交换数据的场合，防⽌slot冲突
if (NCPU > 1 && bound == 0 &&
BOUND.compareAndSet(this, 0, SEQ)) {
arena = new Node[(FULL + 2) << ASHIFT];
}
}
// 如果arena不是null，需要调⽤者调⽤arenaExchange⽅法接着获取对⽅线程交换来的数据
else if (arena != null)
return null;
else {
// 如果slot为null，表示对⽅没有线程等待该线程交换数据
// 设置要交换的本⽅数据
p.item = item;
// 设置当前线程要交换的数据到slot
// CAS操作，如果设置失败，则进⼊下⼀轮for循环
if (SLOT.compareAndSet(this, null, p))
break;
p.item = null;
}
}
// 没有对⽅线程等待交换数据，将当前线程要交换的数据放到slot中，是⼀个Node对象
// 然后阻塞，等待唤醒
int h = p.hash;
// 如果是计时等待交换，则计算超时时间；否则设置为0。
long end = timed ? System.nanoTime() + ns : 0L;
// 如果CPU核⼼数⼤于1，则使⽤SPINS数，⾃旋；否则为1，没必要⾃旋。
int spins = (NCPU > 1) ? SPINS : 1;
// 记录对⽅线程交换来的数据
Object v;
// 如果p.match==null，表示还没有线程交换来数据
while ((v = p.match) == null) {
// 如果⾃旋次数⼤于0，计算hash随机
if (spins > 0) {
// 生成随机数，⽤于⾃旋次数控制
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();
// p是ThreadLocal记录的当前线程的Node。
// 如果slot不是p表示slot是别的线程放进去的
} else if (slot != p) {
spins = SPINS;
} else if (!t.isInterrupted() && arena == null &&
(!timed || (ns = end - System.nanoTime()) > 0L)) {
p.parked = t;
if (slot == p) {
if (ns == 0L)
// 阻塞当前线程
LockSupport.park(this);
else
// 如果是计时等待，则阻塞当前线程指定时间
LockSupport.parkNanos(this, ns);
}
p.parked = null;
} else if (SLOT.compareAndSet(this, p, null)) {
// 没有被中断但是超时了，返回TIMED_OUT，否则返回null
v = timed && ns <= 0L && !t.isInterrupted() ? TIMED_OUT : null;
break;
}
}
// match设置为null值 CAS
MATCH.setRelease(p, null);
p.item = null;
p.hash = h;
// 返回获取的对⽅线程交换来的数据
return v;
}
// ...
}
arenaExchange的实现
public class Exchanger<V> {
// ...
/**
* 当启⽤arenas的时候，使⽤该⽅法进⾏线程间的数据交换。
*
* @param item 本线程要交换的⾮null数据。
* @param timed 如果需要计时等待，则设置为true。
* @param ns 表示计时等待的最⼤时⻓。
* @return 对⽅线程交换来的数据。如果线程被中断，或者等待超时，则返回null。
*/
private final Object arenaExchange(Object item, boolean timed, long ns) {
Node[] a = arena;
int alen = a.length;
Node p = participant.get();
// 访问下标为i处的slot数据
for (int i = p.index;;) { // access slot at i
int b, m, c;
int j = (i << ASHIFT) + ((1 << ASHIFT) - 1);
if (j < 0 || j >= alen)
j = alen - 1;
// 取出arena数组的第j个Node元素
Node q = (Node)AA.getAcquire(a, j);
// 如果q不是null，则将数组的第j个元素由q设置为null
if (q != null && AA.compareAndSet(a, j, q, null)) {
// 获取对⽅线程交换来的数据
Object v = q.item; // release
// 设置本⽅线程交换的数据
q.match = item;
// 获取对⽅线程对象
Thread w = q.parked;
if (w != null)
// 如果对⽅线程⾮空，则唤醒对⽅线程
LockSupport.unpark(w);
return v;
}
// 如果⾃旋次数没达到边界，且q为null
else if (i <= (m = (b = bound) & MMASK) && q == null) {
// 提供本⽅数据
p.item = item; // offer
// 将arena的第j个元素由null设置为p
if (AA.compareAndSet(a, j, null, p)) {
long end = (timed && m == 0) ? System.nanoTime() + ns : 0L;
Thread t = Thread.currentThread(); // wait
// ⾃旋等待
for (int h = p.hash, spins = SPINS;;) {
// 获取对⽅交换来的数据
Object v = p.match;
// 如果对⽅交换来的数据⾮空
if (v != null) {
// 将p设置为null， CAS操作
MATCH.setRelease(p, null);
// 清空
p.item = null; // clear for next use
p.hash = h;
// 返回交换来的数据
return v;
}
// 产⽣随机数，⽤于限制⾃旋次数
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
}
// 如果arena的第j个元素不是p
else if (AA.getAcquire(a, j) != p)
spins = SPINS; // releaser hasn't set match yet
else if (!t.isInterrupted() && m == 0 &&
(!timed ||
(ns = end - System.nanoTime()) > 0L)) {
p.parked = t; // minimize window
if (AA.getAcquire(a, j) == p) {
if (ns == 0L)
// 当前线程阻塞，等待交换数据
LockSupport.park(this);
else
LockSupport.parkNanos(this, ns);
}
p.parked = null;
}
// arena的第j个元素是p并且CAS设置arena的第j个元素由p设置为null成功
else if (AA.getAcquire(a, j) == p &&
AA.compareAndSet(a, j, p, null)) {
if (m != 0) // try to shrink
BOUND.compareAndSet(this, b, b + SEQ - 1);
p.item = null;
p.hash = h;
i = p.index >>>= 1; // descend
// 如果线程被中断，则返回null值
if (Thread.interrupted())
return null;
if (timed && m == 0 && ns <= 0L)
// 如果超时，返回TIMED_OUT。
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 ||
!BOUND.compareAndSet(this, b, b + SEQ + 1)) {
p.collides = c + 1;
i = (i == 0) ? m : i - 1; // cyclically traverse
}
else
i = m + 1; // grow
p.index = i;
}
}
}
// ...
}
实战案例
Exchanger用于于线程之间交换数据，其使用代码很简单，是⼀个exchange(…)方法，使用示例如下：
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.Exchanger;
public class ExchangerTest {
private static final Random random = new Random();
public static void main(String[] args) {
// 建⼀个多线程共⽤的exchange对象
// 把exchange对象传给3个线程对象。每个线程在自己的run⽅法中调⽤exchange，把自己的数据作为参数
// 传递进去，返回值是另外⼀个线程调⽤exchange传进去的参数
Exchanger<String> exchanger = new Exchanger<>();
new Thread("线程1") {
@Override
public void run() {
while (true) {
try {
// 如果没有其他线程调⽤exchange，线程阻塞，直到有其他线程调⽤exchange为⽌。
String otherData = exchanger.exchange("交换数据1");
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "得到 <==" + otherData);
Thread.sleep(random.nextInt(2000));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}.start();
new Thread("线程2") {
@Override
public void run() {
while (true) {
try {
String otherData = exchanger.exchange("交换数据2");
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "得到 <==" + otherData);
Thread.sleep(random.nextInt(2000));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}.start();
new Thread("线程3") {
@Override
public void run() {
while (true) {
try {
String otherData = exchanger.exchange("交换数据3");
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "得到 <==" + otherData);
Thread.sleep(random.nextInt(2000));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}.start();
}
}
输出结果：
线程2得到 <==交换数据1
线程1得到 <==交换数据2
线程2得到 <==交换数据3
线程3得到 <==交换数据2
线程1得到 <==交换数据2
线程2得到 <==交换数据1
线程3得到 <==交换数据1
线程1得到 <==交换数据3
线程2得到 <==交换数据1
线程1得到 <==交换数据2
线程1得到 <==交换数据2
线程2得到 <==交换数据1
...
可以看到，三个线程间彼此交换自己的数据。