【死磕Java并发】—–J.U.C之并发工具类:Exchanger

前面三篇博客分别介绍了CyclicBarrier、CountDownLatch、Semaphore,现在介绍并发工具类中的最后一个Exchange。Exchange是最简单的也是最复杂的,简单在于API非常简单,就一个构造方法和两个exchange()方法,最复杂在于它的实现是最复杂的(反正我是看晕了的)。

在API是这么介绍的:可以在对中对元素进行配对和交换的线程的同步点。每个线程将条目上的某个方法呈现给 exchange 方法,与伙伴线程进行匹配,并且在返回时接收其伙伴的对象。Exchanger 可能被视为 SynchronousQueue 的双向形式。Exchanger 可能在应用程序(比如遗传算法和管道设计)中很有用。

Exchanger,它允许在并发任务之间交换数据。具体来说,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,他们交换数据结构,因此第一个线程的数据结构进入到第二个线程中,第二个线程的数据结构进入到第一个线程中。

应用示例

Exchange实现较为复杂,我们先看其怎么使用,然后再来分析其源码。现在我们用Exchange来模拟生产-消费者问题:

public class ExchangerTest {

    static class Producer implements Runnable{

        //生产者、消费者交换的数据结构
        private List<String> buffer;

        //步生产者和消费者的交换对象
        private Exchanger<List<String>> exchanger;

        Producer(List<String> buffer,Exchanger<List<String>> exchanger){
            this.buffer = buffer;
            this.exchanger = exchanger;
        }

        @Override
        public void run() {
            for(int i = 1 ; i < 5 ; i++){
                System.out.println("生产者第" + i + "次提供");
                for(int j = 1 ; j <= 3 ; j++){
                    System.out.println("生产者装入" + i  + "--" + j);
                    buffer.add("buffer:" + i + "--" + j);
                }

                System.out.println("生产者装满,等待与消费者交换...");
                try {
                    exchanger.exchange(buffer);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    static class Consumer implements Runnable {
        private List<String> buffer;

        private final Exchanger<List<String>> exchanger;

        public Consumer(List<String> buffer, Exchanger<List<String>> exchanger) {
            this.buffer = buffer;
            this.exchanger = exchanger;
        }

        @Override
        public void run() {
            for (int i = 1; i < 5; i++) {
                //调用exchange()与消费者进行数据交换
                try {
                    buffer = exchanger.exchange(buffer);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                
                System.out.println("消费者第" + i + "次提取");
                for (int j = 1; j <= 3 ; j++) {
                    System.out.println("消费者 : " + buffer.get(0));
                    buffer.remove(0);
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args){
        List<String> buffer1 = new ArrayList<String>();
        List<String> buffer2 = new ArrayList<String>();

        Exchanger<List<String>> exchanger = new Exchanger<List<String>>();

        Thread producerThread = new Thread(new Producer(buffer1,exchanger));
        Thread consumerThread = new Thread(new Consumer(buffer2,exchanger));

        producerThread.start();
        consumerThread.start();
    }}

运行结果:

首先生产者Producer、消费者Consumer首先都创建一个缓冲列表,通过Exchanger来同步交换数据。消费中通过调用Exchanger与生产者进行同步来获取数据,而生产者则通过for循环向缓存队列存储数据并使用exchanger对象消费者同步。到消费者从exchanger哪里得到数据后,他的缓冲列表中有3个数据,而生产者得到的则是一个空的列表。上面的例子充分展示了消费者-生产者是如何利用Exchanger来完成数据交换的。

在Exchanger中,如果一个线程已经到达了exchanger节点时,对于它的伙伴节点的情况有三种:

  1. 如果它的伙伴节点在该线程到达之前已经调用了exchanger方法,则它会唤醒它的伙伴然后进行数据交换,得到各自数据返回。
  2. 如果它的伙伴节点还没有到达交换点,则该线程将会被挂起,等待它的伙伴节点到达被唤醒,完成数据交换。
  3. 如果当前线程被中断了则抛出异常,或者等待超时了,则抛出超时异常。

实现分析

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:

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。在这里可能会感觉到疑惑,slot作为Exchanger交换数据的场景,应该只需要一个就可以了啊?为何还多了一个Participant 和数组类型的arena呢?一个slot交换场所原则上来说应该是可以的,但实际情况却不是如此,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,只有当产生竞争是才会生成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;
  • 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:做releasing操作的线程传递的项;
  • parked:挂起时设置线程值,其他情况下为null;

在Node定义中有两个变量值得思考:bound以及collides。前面提到了数组area是为了避免竞争而产生的,如果系统不存在竞争问题,那么完全没有必要开辟一个高效的arena来徒增系统的复杂性。首先通过单个slot的exchanger来交换数据,当探测到竞争时将安排不同的位置的slot来保存线程Node,并且可以确保没有slot会在同一个缓存行上。如何来判断会有竞争呢?CAS替换slot失败,如果失败,则通过记录冲突次数来扩展arena的尺寸,我们在记录冲突的过程中会跟踪“bound”的值,以及会重新计算冲突次数在bound的值被改变时。这里阐述可能有点儿模糊,不着急,我们先有这个概念,后面在arenaExchange中再次做详细阐述。

我们直接看exchange()方法

exchange(V x)

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;
        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;
    }

这个方法比较好理解:arena为数组槽,如果为null,则执行slotExchange()方法,否则判断线程是否中断,如果中断值抛出InterruptedException异常,没有中断则执行arenaExchange()方法。整套逻辑就是:如果slotExchange(Object item, boolean timed, long ns)方法执行失败了就执行arenaExchange(Object item, boolean timed, long ns)方法,最后返回结果V。

NULL_ITEM 为一个空节点,其实就是一个Object对象而已,slotExchange()为单个slot交换。

slotExchange(Object item, boolean timed, long ns)

private final Object slotExchange(Object item, boolean timed, long ns) {
        // 获取当前线程的节点 p
        Node p = participant.get();
        // 当前线程
        Thread t = Thread.currentThread();
        // 线程中断,直接返回
        if (t.isInterrupted())
            return null;
        // 自旋
        for (Node q;;) {
            //slot != null
            if ((q = slot) != null) {
                //尝试CAS替换
                if (U.compareAndSwapObject(this, SLOT, q, null)) {
                    Object v = q.item;      // 当前线程的项,也就是交换的数据
                    q.match = item;         // 做releasing操作的线程传递的项
                    Thread w = q.parked;    // 挂起时设置线程值
                    // 挂起线程不为null,线程挂起
                    if (w != null)
                        U.unpark(w);
                    return v;
                }
                //如果失败了,则创建arena
                //bound 则是上次Exchanger.bound
                if (NCPU > 1 && bound == 0 &&
                        U.compareAndSwapInt(this, BOUND, 0, SEQ))
                    arena = new Node[(FULL + 2) << ASHIFT];
            }
            //如果arena != null,直接返回,进入arenaExchange逻辑处理
            else if (arena != null)
                return null;
            else {
                p.item = item;
                if (U.compareAndSwapObject(this, SLOT, null, p))
                    break;
                p.item = null;
            }
        }

        /*
         * 等待 release
         * 进入spin+block模式
         */
        int h = p.hash;
        long end = timed ? System.nanoTime() + ns : 0L;
        int spins = (NCPU > 1) ? SPINS : 1;
        Object v;
        while ((v = p.match) == null) {
            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;
            else if (!t.isInterrupted() && arena == null &&
                    (!timed || (ns = end - System.nanoTime()) > 0L)) {
                U.putObject(t, BLOCKER, this);
                p.parked = t;
                if (slot == p)
                    U.park(false, ns);
                p.parked = null;
                U.putObject(t, BLOCKER, null);
            }
            else if (U.compareAndSwapObject(this, SLOT, p, null)) {
                v = timed && ns <= 0L && !t.isInterrupted() ? TIMED_OUT : null;
                break;
            }
        }
        U.putOrderedObject(p, MATCH, null);
        p.item = null;
        p.hash = h;
        return v;
    }

程序首先通过participant获取当前线程节点Node。检测是否中断,如果中断return null,等待后续抛出InterruptedException异常。

如果slot不为null,则进行slot消除,成功直接返回数据V,否则失败,则创建arena消除数组。

如果slot为null,但arena不为null,则返回null,进入arenaExchange逻辑。

如果slot为null,且arena也为null,则尝试占领该slot,失败重试,成功则跳出循环进入spin+block(自旋+阻塞)模式。

在自旋+阻塞模式中,首先取得结束时间和自旋次数。如果match(做releasing操作的线程传递的项)为null,其首先尝试spins+随机次自旋(改自旋使用当前节点中的hash,并改变之)和退让。当自旋数为0后,假如slot发生了改变(slot != p)则重置自旋数并重试。否则假如:当前未中断&arena为null&(当前不是限时版本或者限时版本+当前时间未结束):阻塞或者限时阻塞。假如:当前中断或者arena不为null或者当前为限时版本+时间已经结束:不限时版本:置v为null;限时版本:如果时间结束以及未中断则TIMED_OUT;否则给出null(原因是探测到arena非空或者当前线程中断)。

match不为空时跳出循环。

整个slotExchange清晰明了。

arenaExchange(Object item, boolean timed, long ns)

    private final Object arenaExchange(Object item, boolean timed, long ns) {
        Node[] a = arena;
        Node p = participant.get();
        for (int i = p.index;;) {                      // access slot at i
            int b, m, c; long j;                       // j is raw array offset
            Node q = (Node)U.getObjectVolatile(a, j = (i << ASHIFT) + ABASE);
            if (q != null && U.compareAndSwapObject(a, j, q, null)) {
                Object v = q.item;                     // release
                q.match = item;
                Thread w = q.parked;
                if (w != null)
                    U.unpark(w);
                return v;
            }
            else if (i <= (m = (b = bound) & MMASK) && q == null) {
                p.item = item;                         // offer
                if (U.compareAndSwapObject(a, j, null, p)) {
                    long end = (timed && m == 0) ? System.nanoTime() + ns : 0L;
                    Thread t = Thread.currentThread(); // wait
                    for (int h = p.hash, spins = SPINS;;) {
                        Object v = p.match;
                        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
                        }
                        else if (U.getObjectVolatile(a, j) != p)
                            spins = SPINS;       // releaser hasn't set match yet
                        else if (!t.isInterrupted() && m == 0 &&
                                 (!timed ||
                                  (ns = end - System.nanoTime()) > 0L)) {
                            U.putObject(t, BLOCKER, this); // emulate LockSupport
                            p.parked = t;              // minimize window
                            if (U.getObjectVolatile(a, j) == p)
                                U.park(false, ns);
                            p.parked = null;
                            U.putObject(t, BLOCKER, null);
                        }
                        else if (U.getObjectVolatile(a, j) == p &&
                                 U.compareAndSwapObject(a, j, p, null)) {
                            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 <= 0L)
                                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 ||
                         !U.compareAndSwapInt(this, BOUND, b, b + SEQ + 1)) {
                    p.collides = c + 1;
                    i = (i == 0) ? m : i - 1;          // cyclically traverse
                }
                else
                    i = m + 1;                         // grow
                p.index = i;
            }
        }
    }

首先通过participant取得当前节点Node,然后根据当前节点Node的index去取arena中相对应的节点node。前面提到过arena可以确保不同的slot在arena中是不会相冲突的,那么是怎么保证的呢?我们先看arena的创建:

arena = new Node[(FULL + 2) << ASHIFT];

这个arena到底有多大呢?我们先看FULL 和ASHIFT的定义:

static final int FULL = (NCPU >= (MMASK << 1)) ? MMASK : NCPU >>> 1;private static final int ASHIFT = 7;private static final int NCPU = Runtime.getRuntime().availableProcessors();private static final int MMASK = 0xff;		// 255

假如我的机器NCPU = 8 ,则得到的是768大小的arena数组。然后通过以下代码取得在arena中的节点:

 Node q = (Node)U.getObjectVolatile(a, j = (i << ASHIFT) + ABASE);

他仍然是通过右移ASHIFT位来取得Node的,ABASE定义如下:

Class<?> ak = Node[].class;ABASE = U.arrayBaseOffset(ak) + (1 << ASHIFT);

U.arrayBaseOffset获取对象头长度,数组元素的大小可以通过unsafe.arrayIndexScale(T[].class) 方法获取到。这也就是说要访问类型为T的第N个元素的话,你的偏移量offset应该是arrayOffset+N*arrayScale。也就是说BASE = arrayOffset+ 128 。其次我们再看Node节点的定义

  @sun.misc.Contended static final class Node{
	....
  }

在Java 8 中我们是可以利用sun.misc.Contended来规避伪共享的。所以说通过 << ASHIFT方式加上sun.misc.Contended,所以使得任意两个可用Node不会再同一个缓存行中。

关于伪共享请参考如下博文: 伪共享(False Sharing)(http://ifeve.com/falsesharing/) [ Java8中用sun.misc.Contended避免伪共享(false sharing)]( http://blog.csdn.net/aigoogle/article/details/41518369)

我们再次回到arenaExchange()。取得arena中的node节点后,如果定位的节点q 不为空,且CAS操作成功,则交换数据,返回交换的数据,唤醒等待的线程。

如果q等于null且下标在bound & MMASK范围之内,则尝试占领该位置,如果成功,则采用自旋 + 阻塞的方式进行等待交换数据。

如果下标不在bound & MMASK范围之内获取由于q不为null但是竞争失败的时候:消除p。加入bound 不等于当前节点的bond(b != p.bound),则更新p.bound = b,collides = 0 ,i = m或者m – 1。如果冲突的次数不到m 获取m 已经为最大值或者修改当前bound的值失败,则通过增加一次collides以及循环递减下标i的值;否则更新当前bound的值成功:我们令i为m+1即为此时最大的下标。最后更新当前index的值。

Exchanger使用、原理都比较好理解,但是这个源码看起来真心有点儿复杂,是真心难看懂,但是这种交换的思路Doug Lea在后续博文中还会提到,例如SynchronousQueue、LinkedTransferQueue。

最后用一个在网上看到的段子结束此篇博客(http://brokendreams.iteye.com/blog/2253956),博主对其做了一点点修改,以便更加符合在1.8环境下的Exchanger:

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. 我先到一个叫做Slot的交易场所交易,发现你已经到了,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,那我就进入第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. 我跑去喊管理员,尼玛,就一个坑交易个毛啊,然后管理在一个更加开阔的地方开辟了好多个单间,然后我就挨个来看每个单间是否有人。如果有人我就问他是否可以交易,如果回应了我,那我就进入第2步。如果我没有人,那我就占着这个单间等其他人来交易,进入第4步。 6.如果我尝试了几次都没有成功,我就会认为,是不是我TM选的这个单间风水不好?不行,得换个地儿继续(从头开始);如果我尝试了多次发现还没有成功,怒了,把管理员喊来: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!

原文发布于微信公众号 - chenssy(chenssy89)

原文发表时间:2017-05-19

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