一、简介
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，它们交换数据。也就是第一个线程的数据进入到第二个线程中，第二线程的数据进入到第一个线程中。
Exchanger可以用于校对工作的场景。
Exchanger只有一个构造函数：
public Exchanger() {
participant = new Participant();
}
这个类提供对外的接口非常简洁，两个重载的范型exchange方法：
// 除非当前线程被中断，否则一直等待另一个线程到达这个交换点，然后将交换的数据 x传输给它，并收到另一个线程传过来的数据。 public V exchange(V x) throws InterruptedException // 和上一个方法功能基本一样，只不过这个方法增加了等待超时时间 public V exchange(V x, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, TimeoutException
1.1、Exchanger源码详解
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：
/** * Per-thread state */ private final Participant participant; /** * Elimination array; null until enabled (within slotExchange). * Element accesses use emulation of volatile gets and CAS. */ private volatile Node[] arena; /** * Slot used until contention detected. */ private volatile Node slot;
participant的作用是为每个线程关联一个Node对象。Participant继承自ThreadLocal：
/** The corresponding thread local class */
static final class Participant extends ThreadLocal<Node> {
public Node initialValue() { return new Node(); }
}
Node类定义如下：
@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，多个槽位的时候利用；
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：交换的数据；
parked：挂起时设置线程值，其他情况下为null；
看exchange(V x)方法。
exchange(V x)方法
如果一个线程先执行exchange方法，那么它会同步等待另一个线程也执行exchange方法，这个时候两个线程就都达到了同步点，两个线程就可以交换数据。该方法源码如下：
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;
}
exchange(V x)方法主要步骤如下：
1. 判断程序要交换的数据是否为空指针，若为空指针，则将NULL_ITEM设置为要交换的数据，NULL_ITEM是一个来代替空指针的对象，它定义为：
private static final Object NULL_ITEM = new Object();
2. 若arena为null，则通过slotExchange(Object item, boolean timed, long ns)方法来交换数据；否则，若arena不为null，则运行下一步骤。
3. 判断程序中断状态，若程序没有被中断，则运行arenaExchange(Object item, boolean timed, long ns)方法来交换数据；否则，抛出InterruptedException异常。
4. 返回交换后的数据，若数据为NULL_ITEM，则将其转换为空指针null。
在整个过程中，最主要的就是那两个数据交换方法，我们先来看一看slotExchange(Object item, boolean timed, long ns)方法。
slotExchange(Object item, boolean timed, long ns)方法
该方法源码如下：
private final Object slotExchange(Object item, boolean timed, long ns) {
// 获取与线程相关联的Node对象
Node p = participant.get();
// 获取当前线程对象
Thread t = Thread.currentThread();
// 判断线程中断状态
if (t.isInterrupted()) // preserve interrupt status so caller can recheck
return null;
// 进入自旋
for (Node q;;) {
// 如果slot不为null，表明已经有其他线程等待交换数据
if ((q = slot) != null) {
// 通过CAS交换数据信息，成功则返回交换数据
if (U.compareAndSwapObject(this, SLOT, q, null)) {
// 获取其他线程交换的数据
Object v = q.item;
// 槽位内值被改为参数item，这是等待线程需要的数据
q.match = item;
// 获取等待线程
Thread w = q.parked;
// 等待线程不为null，则将其唤醒
if (w != null)
U.unpark(w);
// 返回拿到的数据
return v;
}
// CAS操作失败，则创建arena用于竞争
if (NCPU > 1 && bound == 0 &&
U.compareAndSwapInt(this, BOUND, 0, SEQ))
arena = new Node[(FULL + 2) << ASHIFT];
}
// 如果arena不为null，方法返回null，随后进入arenaExchange方法
else if (arena != null)
return null; // caller must reroute to arenaExchange
// 否则，q(slot)为空，通过CAS尝试将slot设置为p，失败之后自旋重试，成功则跳出自旋，进入spin+block模式
else {
p.item = item;
// 将slot设置为占据该slot线程所对应的Node
if (U.compareAndSwapObject(this, SLOT, null, p))
break;
p.item = null;
}
}
// 等待release
// 若exchange操作有时间限制，则先计算结束时间和自旋次数，进入自旋+阻塞
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) {
// 自旋
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();
}
// 其它线程来交换数据了，另一个线程修改了solt，但是还没有设置match数据，这时可以再稍等一会
else if (slot != p)
spins = SPINS;
// 需要阻塞当前线程，等待其它线程来交换数据
else if (!t.isInterrupted() && arena == null &&
(!timed || (ns = end - System.nanoTime()) > 0L)) {
U.putObject(t, BLOCKER, this);
// 设置Node节点中的parked属性为当前线程，当其他线程要交换数据时，需要通过parked属性来唤醒该线程
p.parked = t;
// 阻塞当前线程
if (slot == p)
U.park(false, ns);
// 当前线程被唤醒之后，做一些清除操作
p.parked = null;
U.putObject(t, BLOCKER, null);
}
// 交换失败，重置slot
else if (U.compareAndSwapObject(this, SLOT, p, null)) {
v = timed && ns <= 0L && !t.isInterrupted() ? TIMED_OUT : null;
break;
}
}
// 清除match信息
U.putOrderedObject(p, MATCH, null);
p.item = null;
p.hash = h;
// 返回交换得到的数据，若失败，则返回值为null
return v;
}
slotExchange(Object item, boolean timed, long ns)方法的整个业务逻辑如下所示：
当一个线程来交换数据时，槽位（slot）有两种状态：
如果发现槽位（solt）没有数据，即slot为null，这时，当前线程就可以通过CAS操作占据slot，若CAS操作成功，则slot就已经被当前线程占据。如果失败，则有可能其他线程抢先了占据了slot，当前线程需要重头开始循环。占据slot成功的线程，需要等待其它线程来进行数据交换，此时，当前线程需要进行一段时间的自旋：
若在线程自旋期间，有其他线程来交换数据，则获取交换数据后，直接返回数据，而不用阻塞该进程。
若在线程自旋期间，没有其他线程来交换数据，那么就需要阻塞当前线程，在阻塞之前，还需要进行一次槽位判断，若槽位发生了变化，说明有其它线程来交换数据了，此时会延长当前线程的自旋时间，可能数据交换马上就完成；若槽位没有发生变化，则直接挂起当前线程，等待其他线程来交换数据，在另一个线程交换数据完成之后，另一个线程会唤醒与之配对交换的线程（即前面被挂起的线程），被唤醒的线程，继续执行，拿到交换的数据之后，直接返回，若出现了超时、被中断的情况，则返回值为null。
如果发现槽位（solt）已有数据，即slot不为null，这表明已经有其它线程占据了槽位，正在等待交换数据，那么当前线程就可以尝试进行数据交换，首先要通过CAS操作设置slot变量值，若CAS成功，则表示当前线程可以进行数据交换，否则，若CAS失败，则表示有其他线程抢先交换了数据，那这时，多个线程产生了竞争，然后，当前线程就会创建arena数组来避免竞争，用于后续的数据交换。
slotExchange(Object item, boolean timed, long ns)方法的整个执行步骤就是这样了，下面我们再看一看arenaExchange(Object item, boolean timed, long ns)方法的执行步骤。
arenaExchange(Object item, boolean timed, long ns)方法
在介绍该方法之前，我们需要先来了解一下与之相关的数据结构
在前面介绍的Node类，被加上了一个@sun.misc.Contended注解，这个是用来避免伪共享的，关于伪共享的详解，可以看这篇博客。在Exchanger类中，ASHIFT就是用来避免伪共享的：
/**
* The byte distance (as a shift value) between any two used slots
* in the arena. 1 << ASHIFT should be at least cacheline size.
*/
private static final int ASHIFT = 7;
对ASHIFT进行详细说明，下面看一看arenaExchange(Object item, boolean timed, long ns)方法：
private final Object arenaExchange(Object item, boolean timed, long ns) {
// Node数组，具有多个槽位
Node[] a = arena;
// 获取与线程相关联的Node对象
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
// 在数组中，根据索引i取出数据，j相当于该线程要访问的第一个槽位
Node q = (Node)U.getObjectVolatile(a, j = (i << ASHIFT) + ABASE);
// 该槽位有数据，即已经有线程在此槽位等待交换数据
if (q != null && U.compareAndSwapObject(a, j, q, null)) {
// 进行数据交换
Object v = q.item; // release
q.match = item;
Thread w = q.parked;
if (w != null)
U.unpark(w);
return v;
}
// bound是最大的有效位置，和MMASK相与，得到真正存储数据的最大索引值
// 如果i小于最大索引，且对应槽位为空
else if (i <= (m = (b = bound) & MMASK) && q == null) {
// 将需要交换的数据赋值给p
p.item = item; // offer
// 通过CAS来设置该槽位的数据，等待其他线程来交换
if (U.compareAndSwapObject(a, j, null, p)) {
long end = (timed && m == 0) ? System.nanoTime() + ns : 0L;
Thread t = Thread.currentThread(); // wait
// 自旋
for (int h = p.hash, spins = SPINS;;) {
Object v = p.match;
// 有其他线程来和该线程交换数据
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
}
// 其它线程来交换数据了，另一个线程修改了槽位数据，但是还没有设置match数据，这时可以再稍等一会
else if (U.getObjectVolatile(a, j) != p)
spins = SPINS; // releaser hasn't set match yet
// m == 0表明已经到达arena数组中最小的存储数据槽位，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);
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，可以换个槽位试试
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，往最小的存储数据槽位的方向挪动
i = p.index >>>= 1; // descend
if (Thread.interrupted())
return null;
// 超时
if (timed && m == 0 && ns <= 0L)
return TIMED_OUT;
break; // expired; restart
}
}
}
// 占据槽位失败
else
p.item = null; // clear offer
}
// i不在有效索引范围内，或者对应槽位已经被其它线程抢先交换了
else {
// 更新p.bound
if (p.bound != b) { // stale; reset
p.bound = b;
// bound的CAS失败次数初始为0
p.collides = 0;
// i如果到达最大值，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)) {
// 更新bound的CAS失败次数
p.collides = c + 1;
i = (i == 0) ? m : i - 1; // cyclically traverse
}
// 递增i
else
i = m + 1; // grow
// 更新index
p.index = i;
}
}
}
在slotExchange方法中，当存在竞争时，会创建arena数组：
arena = new Node[(FULL + 2) << ASHIFT];
在创建arena数组之前，会先设置bound为SEQ(SEQ=MMASK + 1)，即bound的初始值为256：
/** * The maximum supported arena index. The maximum allocatable * arena size is MMASK + 1. Must be a power of two minus one, less * than (1<<(31-ASHIFT)). The cap of 255 (0xff) more than suffices * for the expected scaling limits of the main algorithms. */ private static final int MMASK = 0xff; /** * Unit for sequence/version bits of bound field. Each successful * change to the bound also adds SEQ. */ private static final int SEQ = MMASK + 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。
然后通过以下代码来获取arena中的节点：
Node q = (Node)U.getObjectVolatile(a, j = (i << ASHIFT) + ABASE);
ABASE定义如下：
Class<?> ak = Node[].class; // ABASE absorbs padding in front of element 0 ABASE = U.arrayBaseOffset(ak) + (1 << ASHIFT);
U.arrayBaseOffset(ak)就是计算存放第一个元素的内存地址，相对于数组对象起始地址的内存偏移量。可以看出，ABASE是计算出了一个新的起始地址，其前面的(1 << ASHIFT)位置都没有被利用。
当一个线程来交换数据时，若计算出的槽位索引有效，那对应的槽位有两种状态：
如果发现槽位（solt）没有数据，即slot为null，这时，当前线程就可以通过CAS操作占据slot，
若CAS操作成功
则slot就已经被当前线程占据。然后该线程会采用自旋+阻塞的方式进行等待交换数据。只有当槽位是第一个（m==0，i <= m）时，线程才会阻塞，否则，若长时间没有其他线程来交换数据，当前线程会换个槽位等待，首先，线程会将旧槽位的值通过CAS置为null，然后更新bound，索引值减半（i = p.index >>>= 1），如果设置了超时，需要进行超时判断，若发生超时，则直接返回。
若CAS操作失败
则有可能其他线程抢先了占据了slot，则将p.item设置为null，重新自旋。
如果发现槽位（solt）已有数据，即slot不为null，这表明已经有其它线程占据了槽位，正在等待交换数据，那么当前线程就可以尝试进行数据交换，首先要通过CAS操作设置slot变量值，若CAS成功，则表示当前线程可以进行数据交换，否则，若CAS失败，则表示有其他线程抢先交换了数据，那这时，多个线程产生了竞争，那么就更新bound和p.index。
arenaExchange(Object item, boolean timed, long ns)方法的运行逻辑总结如下：
当一个线程来交换的时候，如果”第一个”槽位是空的，那么自己就在那里等待，如果发现”第一个”槽位有等待线程，那么就直接交换，如果交换失败，说明其它线程在进行交换，那么就往后挪一个槽位，如果有数据就交换，没数据就等一会，但是不会阻塞在这里，在这里等了一会，发现还没有其它线程来交换数据，那么就往“第一个”槽位的方向挪，如果反复这样过后，挪到了第一个槽位，没有线程来交换数据了，那么自己就在”第一个”槽位阻塞等待。 第一个槽位并不是指的数组中的第一个，而是逻辑第一个，因为存在伪共享，多槽位中，部分空间没有被利用。