前言
JUC 包中除了 CountDownLatch, CyclicBarrier, Semaphore, 還有一個重要的工具,只不過相對而言使用的不多,什麼呢? Exchange —— 交換器。用於在兩個執行緒之間交換資料，A 執行緒將 a 資料交給 B 執行緒，B 執行緒將 b 資料交給 a 執行緒。
具體使用例子參見 併發程式設計之 執行緒協作工具類。我們這篇文章就不再講述如何使用了。
而今天，我們將從原始碼處分析，Exchange 的實現原理。如果大家看過之前關於 SynchronousQueue 的文章 併發程式設計之 SynchronousQueue 核心原始碼分析，就能夠看的出來，Exchange 的原理和他很類似。
1. 原始碼
類 UML：
內部有 2 個內部類： Node ， Participant 重寫了 ThreadLocal 的 initialValue 方法。
構造方法如下：
public Exchanger() {
participant = new Participant();
}
static final class Participant extends ThreadLocal<Node> {
public Node initialValue() { return new Node(); }
}
複製程式碼就是建立了一個 ThreadLocal 物件，並設定了初始值，一個 Node 物件。
看看這個 node 物件：
@sun.misc.Contended
static final class Node {
int index; // node 在 arena 陣列下標
int bound; // 交換器的最後記錄值
int collides; // 記錄的 CAS 失敗數
int hash; // 偽隨機的自旋數
Object item; // 這個執行緒的資料項
volatile Object match; // 別的執行緒提供的元素,也就是釋放他的執行緒提供的資料 item
volatile Thread parked; // 當阻塞時，設定此執行緒，不阻塞的話就不必了(因為會自旋)
}
複製程式碼這個 node 物件就是 A ，B 執行緒實際儲存資料的容器。A 執行緒存在 item 屬性上，B 執行緒儲存在 match 執行緒上，稱為匹配。同時，有個執行緒物件，你應該猜到做什麼用處的吧，對，掛起執行緒的。
和 SynchronousQueue 的區別在於， SynchronousQueue 使用了一個變數來儲存資料項，通過 isData 來區別 “存” 操作和 “取” 操作。而 Exchange 使用了 2 個變數，就不用使用 isData 來區分了。
我們再來看看 Exchange 的唯一重要方法 ： exchange 方法。
2. exchange 方法原始碼分析
程式碼如下：
public V exchange(V x) throws InterruptedException {
Object v;
Object item = (x == null) ? NULL_ITEM : x; // translate null args
// arena 不是 Null ,返回的卻是 null, 說明執行緒中斷了.
// 如果 arena 是 null, 就執行後面的方法.反之,如果不是 null, 執行沒有意義.
// 注意,當 slotExchange 有機會被執行,且返回的不是 null, 這個表示式整個就是 false, 下面的表示式就不會執行了.
// 也就是說,當 slot 有效的時候, arena 是沒有必要執行的.
if ((arena != null || (v = slotExchange(item, false, 0L)) == null) &&
// 執行緒中斷了,或者返回的是 null. 說明執行緒中斷了
// 如果執行緒沒有中斷 ,就執行後面的方法.
((Thread.interrupted() || (v = arenaExchange(item, false, 0L)) == null))){
throw new InterruptedException();
}
return (v == NULL_ITEM) ? null : (V)v;
}
複製程式碼說一下方法的邏輯：
- 如果執行 slotExchange 有結果,就不再執行 arenaExchange.
- 如果 slot 被佔用了,就執行 arenaExchange.
返回值是什麼呢？返回值就是對方執行緒的資料項，如果 A 執行緒先呼叫，那麼 A 執行緒將資料項存在 item 中，B 執行緒後呼叫，則 B 執行緒將資料存在 match 屬性中。
A 返回的是 match 屬性，b 返回的是 item 屬性。
從該方法中，可以看到，有 2 個重要的方法： slotExchange， arenaExchange。先簡單說說這兩個方法。
當沒有多執行緒併發操作 Exchange 的時候，使用 slotExchange 就足夠了。 slot 是一個 node 物件。
當出現併發了，一個 slot 就不夠了，就需要使用一個 node 陣列 arena 操作了。
so，我們先看看 slotExchange 方法吧，兩個方法的邏輯類似。
3. slotExchange 方法原始碼分析
程式碼加註釋如下：
private final Object slotExchange(Object item, boolean timed, long ns) {
Node p = participant.get(); // 從 ThreadLocal 中取出 node 物件
Thread t = Thread.currentThread();// 當前執行緒
if (t.isInterrupted()) // preserve interrupt status so caller can recheck
return null;
for (Node q;;) {// 死迴圈
// 另一個下執行緒進入這裡, 假設 slot 有值
if ((q = slot) != null) {
// 將 slot 修改為 null
if (U.compareAndSwapObject(this, SLOT, q, null)) {
// 拿到 q 的 item
Object v = q.item;
// 自己的 item 賦值給 match,以讓對方執行緒獲取
q.match = item;
// q 執行緒
Thread w = q.parked;
// slot 的 parked 就是阻塞等待的執行緒物件.
if (w != null)
U.unpark(w);
// 返回了上一個執行緒放入的 item
return v;
}
// 如果使用 CAS 修改slot 失敗了,說明 slot 被使用了,那就需要建立 arena 陣列了
if (NCPU > 1 && bound == 0 &&
U.compareAndSwapInt(this, BOUND, 0, SEQ)) // SEQ == 256; 預設 BOUND == 0
arena = new Node[(FULL + 2) << ASHIFT];// length = (2 + 2) << 7 == 512
}
// 如果 slot 是 null, 但 arena 有值了,說明有執行緒競爭 slot 了,返回 null, 執行 arenaExchange 邏輯
else if (arena != null)
return null; // caller must reroute to arenaExchange
else {// 第一次迴圈,給 p node 的 item 賦值
p.item = item;
// 將 slot 賦值賦值為 p
if (U.compareAndSwapObject(this, SLOT, null, p))
// 賦值成功跳出迴圈
break;
// 如果 CAS 失敗,將 p 的值清空,重來
p.item = null;
}
}
// 當走到這裡的時候,說明 slot 是 null, 且 arena 不是 null(沒有多執行緒競爭使用 slot),並且成功將 item 放入了 slot 中.
// 這個時候要做的就是阻塞自己,等待對方取出 slot 的資料項,然後重置 slot 的資料和池化物件的資料
// 偽隨機數
int h = p.hash;
// 超時時間
long end = timed ? System.nanoTime() + ns : 0L;
// 自旋,預設 1024
int spins = (NCPU > 1) ? SPINS : 1;
Object v;
// 如果這個值不是 null, 說明資料被其他執行緒拿走了, 並且其他執行緒將資料賦值給 match 屬性,完成了一次交換
while ((v = p.match) == null) {
// 自旋
if (spins > 0) {
// 計算偽隨機數
h ^= h << 1; h ^= h >>> 3; h ^= h << 10;
// 如果算出來的是0,就使用執行緒 ID
if (h == 0)
h = SPINS | (int)t.getId();
// 如果不是0,就將自旋數減一,並且讓出 CPU 時間片
else if (h < 0 && (--spins & ((SPINS >>> 1) - 1)) == 0)
Thread.yield();
}
// 如果自旋數不夠了,且 slot 還沒有得到,就重置自旋數
else if (slot != p)
spins = SPINS;
// 如果 slot == p 了,說明對 slot 賦值成功
// 如果執行緒沒有中斷 && 陣列不是 null && 沒有超時限制
else if (!t.isInterrupted() && arena == null &&
(!timed || (ns = end - System.nanoTime()) > 0L)) {
// 為執行緒中的 parkBlocker 屬性賦值為 Exchange 自己
U.putObject(t, BLOCKER, this);
// node 節點的阻塞執行緒為當前執行緒
p.parked = t;
// 如果這個資料還沒有被拿走,阻塞自己
if (slot == p)
U.park(false, ns);
// 執行緒甦醒後,將 p 的阻塞執行緒屬性清空
p.parked = null;
// 將當前執行緒的 parkBlocker 屬性設定成 null
U.putObject(t, BLOCKER, null);
}
// 如果有超時限制,使用 CAS 將 slot 從 p 變成 null,取消這次交換
else if (U.compareAndSwapObject(this, SLOT, p, null)) {
// 如果CAS成功,如果時間到了 && 執行緒沒有中斷 : 返回 time_out 物件: 返回 null
v = timed && ns <= 0L && !t.isInterrupted() ? TIMED_OUT : null;
// 跳出內層迴圈
break;
}
}
// 將 p 的 match 屬性設定成 null, 表示初始化狀態,沒有任何匹配 >>> putOrderedObject是putObjectVolatile的記憶體非立即可見版本.
U.putOrderedObject(p, MATCH, null);
// 重置 item
p.item = null;
// 保留偽隨機數,供下次種子數字
p.hash = h;
// 返回
return v;
}
複製程式碼原始碼還是有點小長的。簡單說說邏輯。
Exchange 使用了物件池的技術,將物件儲存在 ThreadLocal 中,這個物件(Node)封裝了資料項,執行緒物件等關鍵資料。
當第一個執行緒進入的時候,會將資料放到 池化物件中,並賦值給 slot 的 item.並阻塞自己(通常不會立即阻塞,而是使用 yield 自旋一會兒),等待對方取值.
當第二個執行緒進入的時候,會拿出儲存在 slot item 中的值, 然後對 slot 的 match 賦值,並喚醒上次阻塞的執行緒.
當第一個執行緒阻塞被喚醒後,說明對方取到值了,就獲取 slot 的 match 值, 並重置 slot 的資料和池化物件的資料,並返回自己的資料.
如果超時了,就返回 Time_out 物件.
如果執行緒中斷了,就返回 null.
在該方法中,會返回 2 種結果,一是有效的 item, 二是 null— 要麼是執行緒競爭使用 slot 了,建立了 arena 陣列,要麼是執行緒中斷了.
用一幅圖來看看具體邏輯，其實還是挺簡單的。
當 slot 被別是執行緒使用了，那麼就需要建立一個 arena 的陣列了。通過操縱陣列裡面的元素來實現資料交換。
關於 arenaExchange 方法的原始碼我就不貼了，有 2 個原因，一個是總體邏輯和 slotExchange 相同，第二個原因則是，其中有一些細節我沒有弄懂，就不發出自己寫程式碼註釋了，防止誤導。但我們已經掌握了 Exchange 的原理。
總結
Exchange 和 SynchronousQueue 類似，都是通過兩個執行緒操作同一個物件實現資料交換，只不過就像我們開始說的，SynchronousQueue 使用的是同一個屬性，通過不同的 isData 來區分，多執行緒併發時，使用了佇列進行排隊。
Exchange 使用了一個物件裡的兩個屬性，item 和 match，就不需要 isData 屬性了，因為在 Exchange 裡面，沒有 isData 這個語義。而多執行緒併發時，使用陣列來控制，每個執行緒訪問陣列中不同的槽。
最後，用我們的圖收尾吧：
