Jdk1.6 JUC源码解析(27)-Exchanger
作者：大飞
功能简介：
- Exchanger是一种线程间安全交换数据的机制。可以和之前分析过的SynchronousQueue对比一下：线程A通过SynchronousQueue将数据a交给线程B；线程A通过Exchanger和线程B交换数据，线程A把数据a交给线程B，同时线程B把数据b交给线程A。可见，SynchronousQueue是交给一个数据，Exchanger是交换两个数据。
源码分析：
- 先看下内部结构：
private static final class Node extends AtomicReference
内部结构很清晰，首先内部包含一个Slot数组，默认容量是32，用来避免以一些竞争，有点类似于ConcurrentHashMap的策略；其次，交换数据的场所就是Slot，它本身进行了cache line填充，避免了伪共享问题；最后，每个要进行数据交换的线程在内部会用一个Node来表示。
伪共享说明：假设一个类的两个相互独立的属性a和b在内存地址上是连续的(比如FIFO队列的头尾指针)，那么它们通常会被加载到相同的cpu cache line里面。并发情况下，如果一个线程修改了a，会导致整个cache line失效(包括b)，这时另一个线程来读b，就需要从内存里再次加载了，这种多线程频繁修改ab的情况下，虽然a和b看似独立，但它们会互相干扰，非常影响性能。
- 看完了内部结构，接下来就从Exchanger的交换数据方法exchange入手来分析代码：
/**
* 等待其他线程到达交换点，然后与其进行数据交换。
*
* 如果其他线程到来，那么交换数据，返回。
*
* 如果其他线程未到来，那么当前线程等待，知道如下情况发生：
* 1.有其他线程来进行数据交换。
* 2.当前线程被中断。
*/
public V exchange(V x) throws InterruptedException {
if (!Thread.interrupted()) {//检测当前线程是否被中断。
//进行数据交换。
Object v = doExchange(x == null? NULL_ITEM : x, false, 0);
if (v == NULL_ITEM)
return null; //检测结果是否为null。
if (v != CANCEL) //检测是否被取消。
return (V)v;
Thread.interrupted(); // 清除中断标记。
}
throw new InterruptedException();
}
/**
* 等待其他线程到达交换点，然后与其进行数据交换。
*
* 如果其他线程到来，那么交换数据，返回。
*
* 如果其他线程未到来，那么当前线程等待，知道如下情况发生：
* 1.有其他线程来进行数据交换。
* 2.当前线程被中断。
* 3.超时。
*/
public V exchange(V x, long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException, TimeoutException {
if (!Thread.interrupted()) {
Object v = doExchange(x == null? NULL_ITEM : x,
true, unit.toNanos(timeout));
if (v == NULL_ITEM)
return null;
if (v != CANCEL)
return (V)v;
if (!Thread.interrupted())
throw new TimeoutException();
}
throw new InterruptedException();
}
上面的方法都调用了doExchange方法，主要逻辑在这个方法里，分析下这个方法：
/**
* 这个方法会处理不同的情况，使用Object而不是泛型，主要是为了返回一些
* 哨兵值(比如表示null和取消的对象)。
*
* @param item 用来进行交换的数据。
* @param timed 如果有超时延迟，设置为true
* @param nanos 具体的超时时间。
* @return 返回另一个线程(与当前线程交换数据)的数据，或者CANCEL(表示取消)
*/
private Object doExchange(Object item, boolean timed, long nanos) {
Node me = new Node(item); // 创建当前节点me。
int index = hashIndex(); // 计算出当前slot的下标。
int fails = 0; // 用来保存CAS失败的次数。
for (;;) {
Object y; // 用来保存当前slot中可能存在的Node。
Slot slot = arena[index]; // 按照前面计算出的下标获取当前slot。
if (slot == null)
createSlot(index); // 如果slot为null，那么创建一个slot，然后继续循环。
else if ((y = slot.get()) != null && slot.compareAndSet(y, null)) { // 如果slot不为空，那么slot可能被另一个Node给占了，如果确实存在这个Node，尝试将其置空。(表示当前节点要和这个Node交换数据了)
Node you = (Node)y; // 给这个Node转型，赋给you。
if (you.compareAndSet(null, item)) { // 将item设置给you，注意you本身是一个AtomicReference，这里相当于把item设置到you的value字段上。
LockSupport.unpark(you.waiter); // 然后唤醒you节点上等待的线程。
return you.item; // 返回you的item。
} // 竞争失败，放弃，继续循环。
}
else if (y == null && // 如果slot为空，那么说明没有要和当前线程交换数据的线程，
slot.compareAndSet(null, me)) { //那么当前线程先尝试把这个slot给占了。
if (index == 0) // 如果slot下标为0，那么阻塞等待。
return timed? awaitNanos(me, slot, nanos): await(me, slot); // 有超时的话，会阻塞给定的时间。
Object v = spinWait(me, slot); // 如果slot下标不是0，自旋等待，等待其他线程来和当前线程交换数据，然后返回交换后的数据。
if (v != CANCEL)
return v;
me = new Node(item); // 如果取消的话，重试，重建一个Node，之前的Node就丢弃了。
int m = max.get(); // 获取当前slot下标的最大值。
if (m > (index >>>= 1)) // 如果当前允许的最大索引太大。
max.compareAndSet(m, m - 1); // 递减最大索引
}
else if (++fails > 1) { // 如果1个slot竞争失败超过2次。
int m = max.get();
if (fails > 3 && m < FULL && max.compareAndSet(m, m + 1)) //如果竞争失败超过3次，尝试递增最大索引值。
index = m + 1; // 增加索引值。
else if (--index < 0) // 换个index。
index = m; // 绕回逻辑，防止index越界。
}
}
}
这里形象的理解一下：
其实就是"我"和"你"(可能有多个"我"，多个"你")在一个叫Slot的地方做交易(一手交钱，一手交货)，过程分以下步骤：
1.我到交易地点(Slot)的时候，你已经到了，那我就尝试喊你交易，如果你回应了我，决定和我交易那么进入第2步；如果别人抢先一步把你喊走了，那我只能再找别人了，进入第5步。
2.我拿出钱交给你，你可能会接收我的钱，然后把货给我，交易结束；也可能嫌我掏钱太慢(超时)或者接个电话(中断)，TM的不卖了，走了，那我只能再找别人买货了(从头开始)。
3.我到交易地点的时候，你不在，那我先尝试把这个交易点给占了(一屁股做凳子上...)，如果我成功抢占了单间(交易点)，那就坐这儿等着你拿货来交易，进入第4步；如果被别人抢座了，那我只能在找别的地方儿了，进入第5步。
4.你拿着货来了，喊我交易，然后完成交易；也可能我等了好长时间你都没来，我不等了，继续找别人交易去，走的时候我看了一眼，一共没多少人，弄了这么多单间(交易地点Slot)，太TM浪费了，我喊来交易地点管理员：一共也没几个人，搞这么多单间儿干毛，给哥撤一个！。然后再找别人买货(从头开始)；或者我老大给我打了个电话，不让我买货了(中断)。
5.如果之前我尝试交易了2次都没成功，那我就想我TM选的这个位置(Slot下标)是不是风水不好啊，换个地儿继续(从头开始)；如果之前都尝试交易了4次还没成功，我怒了，喊过来交易地点的管理员：给哥再开一个单间(Slot)，加一个凳子，这么多人就这么几个破凳子够谁用！
看一下doExchange调用的计算slot下标的方法：
/**
* Returns a hash index for the current thread. Uses a one-step
* FNV-1a hash code (http://www.isthe.com/chongo/tech/comp/fnv/)
* based on the current thread's Thread.getId(). These hash codes
* have more uniform distribution properties with respect to small
* moduli (here 1-31) than do other simple hashing functions.
*
* To return an index between 0 and max, we use a cheap
* approximation to a mod operation, that also corrects for bias
* due to non-power-of-2 remaindering (see {@link
* java.util.Random#nextInt}). Bits of the hashcode are masked
* with "nbits", the ceiling power of two of table size (looked up
* in a table packed into three ints). If too large, this is
* retried after rotating the hash by nbits bits, while forcing new
* top bit to 0, which guarantees eventual termination (although
* with a non-random-bias). This requires an average of less than
* 2 tries for all table sizes, and has a maximum 2% difference
* from perfectly uniform slot probabilities when applied to all
* possible hash codes for sizes less than 32.
*
* @return a per-thread-random index, 0 <= index < max
*/
private final int hashIndex() {
long id = Thread.currentThread().getId();
int hash = (((int)(id ^ (id >>> 32))) ^ 0x811c9dc5) * 0x01000193;
int m = max.get();
int nbits = (((0xfffffc00 >> m) & 4) | // Compute ceil(log2(m+1))
((0x000001f8 >>> m) & 2) | // The constants hold
((0xffff00f2 >>> m) & 1)); // a lookup table
int index;
while ((index = hash & ((1 << nbits) - 1)) > m) // May retry on
hash = (hash >>> nbits) | (hash << (33 - nbits)); // non-power-2 m
return index;
}
这里就是根据当前线程的ID，算一个hash值，然后针对slot最大index值做了一个近似取模的操作来计算slot的下标。
接下来看一下createSlot方法：
private void createSlot(int index) {
// 在同步块外面创建Slot实例，以减小同步块范围。
Slot newSlot = new Slot();
Slot[] a = arena;
synchronized (a) {
if (a[index] == null)
a[index] = newSlot;
}
}
/**
* 在下标为0的Slot上等待获取其他线程填充的值。
* 如果在Slot被填充之前超时或者被中断，那么操作失败。
*/
private Object awaitNanos(Node node, Slot slot, long nanos) {
int spins = TIMED_SPINS;
long lastTime = 0;
Thread w = null;
for (;;) {
Object v = node.get();
if (v != null)
//如果已经被其他线程填充了值，那么返回这个值。
return v;
long now = System.nanoTime();
if (w == null)
w = Thread.currentThread();
else
nanos -= now - lastTime;
lastTime = now;
if (nanos > 0) {
if (spins > 0)
--spins; //先自旋几次。
else if (node.waiter == null)
node.waiter = w; //自旋阶段完毕后，将当前线程设置到node的waiter域。
else if (w.isInterrupted())
tryCancel(node, slot); //如果当前线程被中断，尝试取消node。
else
LockSupport.parkNanos(node, nanos); //阻塞给定的时间。
}
else if (tryCancel(node, slot) && !w.isInterrupted())
//超时后，如果当前线程没有被中断，那么从Slot数组的其他位置看看有没有等待交换数据的节点
return scanOnTimeout(node);
}
} awaitNanos中的自旋次数为TIMED_SPINS，这里说明一下自旋次数：
/**
* 单核处理器下这个自旋次数为0
* 多核情况下，这个值设置为大多数系统中上下文切换时间的平均值。
*/
private static final int SPINS = (NCPU == 1) ? 0 : 2000;
/**
* 在有超时情况下阻塞等待之前自旋的次数。.
* 超时等待的自旋次数之所以更少，是因为检测时间也需要耗费时间。
* 这里的值是一个经验值。
*/
private static final int TIMED_SPINS = SPINS / 20;
private static boolean tryCancel(Node node, Slot slot) {
if (!node.compareAndSet(null, CANCEL))//尝试取消node
return false;
if (slot.get() == node) // pre-check to minimize contention
slot.compareAndSet(node, null); //如果还关联在sot上，断开关联。
return true;
}
继续看awaitNanos方法中最后调用的scanOnTimeout方法，这个方法在要取消的时候调用，找一下其他下标的Slot上有没有可以交换数据的节点，找到的话就可以成功交换数据，而不取消了：
private Object scanOnTimeout(Node node) {
Object y;
for (int j = arena.length - 1; j >= 0; --j) {
//从Slot数组的后面往前找
Slot slot = arena[j];
if (slot != null) {
//找到了有初始化好的Slot，然后看看里面有没有node。
while ((y = slot.get()) != null) {
//发现有node，尝试和这个node进行数据交换。
if (slot.compareAndSet(y, null)) {
Node you = (Node)y;
//尝试进行数据交换，
if (you.compareAndSet(null, node.item)) {
//如果交换成功(把当前节点的数据交给you)，唤醒you上面等待的线程。
LockSupport.unpark(you.waiter);
//返回you的数据。
return you.item;
}
}
}
}
}
//没找到其他等待交换数据的线程，最后取消当前节点node。
return CANCEL;
}
上面看的awaitNanos方法是在下标为0的Slot里面，有超时情况下的处理方式。再看下没有超时情况的处理方法await：
private static Object await(Node node, Slot slot) {
Thread w = Thread.currentThread();
int spins = SPINS;
for (;;) {
Object v = node.get();
if (v != null)
//如果已经被其他线程填充了值，那么返回这个值。
return v;
else if (spins > 0) // 先自旋几次。
--spins;
else if (node.waiter == null) // 自旋阶段完毕后，将当前线程设置到node的waiter域。
node.waiter = w;
else if (w.isInterrupted()) // 如果当前线程被中断，尝试取消当前node。
tryCancel(node, slot);
else // 否则阻塞当前线程。
LockSupport.park(node);
}
}
之前看的awaitNanos和await方法都是在下标为0的Slot的情况下采取的有阻塞行为的处理方式，如果下标不为0，采取完全自旋的方式，调用方法spinWait：
private static Object spinWait(Node node, Slot slot) {
int spins = SPINS;
for (;;) {
Object v = node.get();
if (v != null)
return v;
else if (spins > 0)
--spins; //先自旋
else
tryCancel(node, slot); //自旋了指定的次数还没等到交换的数据，尝试取消。
}
}
最后看一下arena(Slot数组)，默认的容量和实际使用的下标最大值：
private static final int CAPACITY = 32;
/**
* The value of "max" that will hold all threads without
* contention. When this value is less than CAPACITY, some
* otherwise wasted expansion can be avoided.
*/
private static final int FULL =
Math.max(0, Math.min(CAPACITY, NCPU / 2) - 1); 前面说过arena容量默认为32，目的是为了减少线程的竞争，但实际上对arena的使用不会超过FULL这个值(避免一些空间浪费)。这个值取的是32(默认CAPACITY)和CPU核心数量的一半，这两个数的较小值在减1的数和0的较大值.... 也就是说，如果CPU核很多的情况下，这个值最大也就是31,；如果是单核或者双核CPU，这个值就是0，也就是说只能用arena[0]。这也是为什么前面的hashIndex方法里面会做的(近似)取模操作比较复杂，因为实际的能使用的Slot数组范围可能不是2的幂。
Exchanger的代码解析完毕！