JUC并发工具之Exchanger源码解析
2020-05-17 本文已影响0人
Java技术天地
实现原理
Exchanger(交换者)是用于线程协作的工具类。Exchanger用于进行两个线程之间的数据交换。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，当一个线程先执行exchange()方法后，它会一直等待第二个线程也执行exchange()方法，当这两个线程到达同步点时，这两个线程就可以交换数据了。
Exchanger的算法核心是通过一个可以交换数据的slot和一个可以带有数据item的参与者，在源码中的定义如下：
for (;;) {
if (slot is empty) { // offer
// slot为空时，将item 设置到Node 中
place item in a Node;
if (can CAS slot from empty to node) {
// 当将node通过CAS交换到slot中时，挂起线程等待被唤醒
wait for release;
// 被唤醒后返回node中匹配到的item
return matching item in node;
}
} else if (can CAS slot from node to empty) { // release
// 将slot设置为空
// 获取node中的item，将需要交换的数据设置到匹配的item
get the item in node;
set matching item in node;
// 唤醒等待的线程
release waiting thread;
}
// else retry on CAS failure
}
比如有2条线程A和B，A线程交换数据时，发现slot为空，则将需要交换的数据放在slot中等待其它线程进来交换数据，等线程B进来，读取A设置的数据，然后设置线程B需要交换的数据，然后唤醒A线程，原理就是这么简单。但是当多个线程之间进行交换数据时就会出现问题，所以Exchanger加入了slot数组。
Exchanger中定义了几个重要的成员变量,它们分别是：
private final Participant participant;
private volatile Node[] arena;
private volatile Node slot;
participant的作用是为每个线程保留唯一的一个Node节点。slot为单个槽，arena为数组槽。他们都是Node类型。这里arena存在的意义是当有多个参与者使用同一个交换场所时，会存在严重伸缩性问题。既然单个交换场所存在问题，那么我们就安排多个，也就是数组arena。通过数组arena来安排不同的线程使用不同的slot来降低竞争问题，并且可以保证最终一定会成对交换数据。但是Exchanger不是一来就会生成arena数组来降低竞争，只有当产生竞争时才会生成arena数组。那么怎么将Node与当前线程绑定呢？Participant ，Participant 的作用就是为每个线程保留唯一的一个Node节点，它继承ThreadLocal，同时在Node节点中记录在arena中的下标index
Node的数据结构如下：
@sun.misc.Contended static final class Node {
// arena的下标，多个槽位的时候利用
int index;
// 上一次记录的Exchanger.bound
int bound;
// 在当前bound下CAS失败的次数；
int collides;
// 用于自旋；
int hash;
// 这个线程的当前项，也就是需要交换的数据；
Object item;
//做releasing操作的线程传递的项；
volatile Object match;
//挂起时设置线程值，其他情况下为null；
volatile Thread parked;
}
Exchanger的核心方法为exchange(V x)，下面我们就来分析下exchange(V x)方法。
exchange(V x)方法
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。方法定义如下：
public V exchange(V x) throws InterruptedException {
Object v;
// 当参数为null时需要将item设置为空的对象
Object item = (x == null) ? NULL_ITEM : x; // translate null args
// 注意到这里的这个表达式是整个方法的核心
if ((arena != null ||
(v = slotExchange(item, false, 0 L)) == null) &&
((Thread.interrupted() || // disambiguates null return
(v = arenaExchange(item, false, 0 L)) == null)))
throw new InterruptedException();
return (v == NULL_ITEM) ? null : (V) v;
}
仔细分析上述方法中的if语句，可以得知：
- 只有当arena 为空时，才执行slotExchange(item, false, 0 L)方法。
- 当arena不为空时，或者(arena为null且slotExchange方法返回null)时，此时线程未中断，才会执行arenaExchange方法;
- 线程中断时，就直接抛出线程中断异常。
下面我们再看看slotExchange方法，其定义如下：
private final Object slotExchange(Object item, boolean timed, long ns) {
// 获取当前线程node对象
Node p = participant.get();
// 当前线程
Thread t = Thread.currentThread();
// 若果线程被中断，就直接返回null
if (t.isInterrupted()) // preserve interrupt status so caller can recheck
return null;
// 自旋
for (Node q;;) {
// 将slot值赋给q
if ((q = slot) != null) {
// slot 不为null，即表示已有线程已经把需要交换的数据设置在slot中了
// 通过CAS将slot设置成null
if (U.compareAndSwapObject(this, SLOT, q, null)) {
// CAS操作成功后，将slot中的item赋值给对象v，以便返回。
// 这里也是就读取之前线程要交换的数据
Object v = q.item;
// 将当前线程需要交给的数据设置在q中的match
q.match = item;
// 获取被挂起的线程
Thread w = q.parked;
if (w != null)
// 如果线程不为null，唤醒它
U.unpark(w);
// 返回其他线程给的V
return v;
}
// create arena on contention, but continue until slot null
// CAS 操作失败，表示有其它线程竞争，在此线程之前将数据已取走
// NCPU:CPU的核数
// bound == 0 表示arena数组未初始化过，CAS操作bound将其增加SEQ
if (NCPU > 1 && bound == 0 &&
U.compareAndSwapInt(this, BOUND, 0, SEQ))
// 初始化arena数组
arena = new Node[(FULL + 2) << ASHIFT];
}
// 上面分析过，只有当arena不为空才会执行slotExchange方法的
// 所以表示刚好已有其它线程加入进来将arena初始化
else if (arena != null)
// 这里就需要去执行arenaExchange
return null; // caller must reroute to arenaExchange
else {
// 这里表示当前线程是以第一个线程进来交换数据
// 或者表示之前的数据交换已进行完毕，这里可以看作是第一个线程
// 将需要交换的数据先存放在当前线程变量p中
p.item = item;
// 将需要交换的数据通过CAS设置到交换区slot
if (U.compareAndSwapObject(this, SLOT, null, p))
// 交换成功后跳出自旋
break;
// CAS操作失败，表示有其它线程刚好先于当前线程将数据设置到交换区slot
// 将当前线程变量中的item设置为null，然后自旋获取其它线程存放在交换区slot的数据
p.item = null;
}
}
// await release
// 执行到这里表示当前线程已将需要的交换的数据放置于交换区slot中了，
// 等待其它线程交换数据然后唤醒当前线程
int h = p.hash;
long end = timed ? System.nanoTime() + ns : 0 L;
// 自旋次数
int spins = (NCPU > 1) ? SPINS : 1;
Object v;
// 自旋等待直到p.match不为null，也就是说等待其它线程将需要交换的数据放置于交换区slot
while ((v = p.match) == null) {
// 下面的逻辑主要是自旋等待，直到spins递减到0为止
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();
} else if (slot != p)
spins = SPINS;
// 此处表示未设置超时或者时间未超时
else if (!t.isInterrupted() && arena == null &&
(!timed || (ns = end - System.nanoTime()) > 0 L)) {
// 设置线程t被当前对象阻塞
U.putObject(t, BLOCKER, this);
// 给p挂机线程的值赋值
p.parked = t;
if (slot == p)
// 如果slot还没有被置为null，也就表示暂未有线程过来交换数据，需要将当前线程挂起
U.park(false, ns);
// 线程被唤醒，将被挂起的线程设置为null
p.parked = null;
// 设置线程t未被任何对象阻塞
U.putObject(t, BLOCKER, null);
// 不是以上条件时（可能是arena已不为null或者超时）
} else if (U.compareAndSwapObject(this, SLOT, p, null)) {
// arena不为null则v为null,其它为超时则v为超市对象TIMED_OUT，并且跳出循环
v = timed && ns <= 0 L && !t.isInterrupted() ? TIMED_OUT : null;
break;
}
}
// 取走match值，并将p中的match置为null
U.putOrderedObject(p, MATCH, null);
// 设置item为null
p.item = null;
p.hash = h;
// 返回交换值
return v;
}
再来看arenaExchange方法，此方法被执行时表示多个线程进入交换区交换数据，arena数组已被初始化，此方法中的一些处理方式和slotExchange比较类似，它是通过遍历arena数组找到需要交换的数据。arenaExchange方法源码定义如下：
// timed 为true表示设置了超时时间，ns为>0的值，反之没有设置超时时间
private final Object arenaExchange(Object item, boolean timed, long ns) {
Node[] a = arena;
// 获取当前线程中的存放的node
Node p = participant.get();
//index初始值0
for (int i = p.index;;) { // access slot at i
// 遍历，如果在数组中找到数据则直接交换并唤醒线程，如未找到则将需要交换给其它线程的数据放置于数组中
int b, m, c;
long j; // j is raw array offset
// 其实这里就是向右遍历数组，只是用到了元素在内存偏移的偏移量
// q实际为arena数组偏移(i + 1) * 128个地址位上的node
Node q = (Node) U.getObjectVolatile(a, j = (i << ASHIFT) + ABASE);
// 如果q不为null，并且CAS操作成功，将下标j的元素置为null
if (q != null && U.compareAndSwapObject(a, j, q, null)) {
// 表示当前线程已发现有交换的数据，然后获取数据，唤醒等待的线程
Object v = q.item; // release
q.match = item;
Thread w = q.parked;
if (w != null)
U.unpark(w);
return v;
// q 为null 并且 i 未超过数组边界
} else if (i <= (m = (b = bound) & MMASK) && q == null) {
// 将需要给其它线程的item赋予给p中的item
p.item = item; // offer
if (U.compareAndSwapObject(a, j, null, p)) {
// 交换成功
long end = (timed && m == 0) ? System.nanoTime() + ns : 0 L;
Thread t = Thread.currentThread(); // wait
// 自旋直到有其它线程进入，遍历到该元素并与其交换，同时当前线程被唤醒
for (int h = p.hash, spins = SPINS;;) {
Object v = p.match;
if (v != null) {
// 其它线程设置的需要交换的数据match不为null
// 将match设置null,item设置为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
} else if (U.getObjectVolatile(a, j) != p)
// 和slotExchange方法中的类似，arena数组中的数据已被CAS设置
// match值还未设置，让其再自旋等待match被设置
spins = SPINS; // releaser hasn't set match yet
else if (!t.isInterrupted() && m == 0 &&
(!timed ||
(ns = end - System.nanoTime()) > 0 L)) {
// 设置线程t被当前对象阻塞
U.putObject(t, BLOCKER, this); // emulate LockSupport
// 线程t赋值
p.parked = t; // minimize window
if (U.getObjectVolatile(a, j) == p)
// 数组中对象还相等，表示线程还未被唤醒，唤醒线程
U.park(false, ns);
p.parked = null;
// 设置线程t未被任何对象阻塞
U.putObject(t, BLOCKER, null);
} else if (U.getObjectVolatile(a, j) == p &&
U.compareAndSwapObject(a, j, p, null)) {
// 这里给bound增加加一个SEQ
if (m != 0) // try to shrink
U.compareAndSwapInt(this, BOUND, b, b + SEQ - 1);
p.item = null;
p.hash = h;
i = p.index >>>= 1; // descend
if (Thread.interrupted())
return null;
if (timed && m == 0 && ns <= 0 L)
return TIMED_OUT;
break; // expired; restart
}
}
} else
// 交换失败，表示有其它线程更改了arena数组中下标i的元素
p.item = null; // clear offer
} else {
// 此时表示下标不在bound & MMASK或q不为null但CAS操作失败
// 需要更新bound变化后的值
if (p.bound != b) { // stale; reset
p.bound = b;
p.collides = 0;
// 反向遍历
i = (i != m || m == 0) ? m : m - 1;
} else if ((c = p.collides) < m || m == FULL ||
!U.compareAndSwapInt(this, BOUND, b, b + SEQ + 1)) {
// 记录CAS失败的次数
p.collides = c + 1;
// 循环遍历
i = (i == 0) ? m : i - 1; // cyclically traverse
} else
// 此时表示bound值增加了SEQ+1
i = m + 1; // grow
// 设置下标
p.index = i;
}
}
}
看完上面slotExchange方法和arenaExchange方法定义，我们可以看出Exchanger工具类的实现还是很复杂的，虽然Exchanger的使用比较简单。
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