## 29 一手交钱，一手交货—Exchanger详解
> 世上无难事,只要肯登攀
> ——毛泽东
Exchanger 从字面来看是一个交换器，它用来在线程间交换数据。如果两个线程并行处理，但在某个时刻需要互相交换自己已经处理完的中间数据，然后才能继续往下执行。这个时候就可以使用 Exchanger。
两个线程不用谋面，但是通过 Exchanger 就能实现数据交换，这是如何做到的呢？我们可以认为 Exchanger 有两个槽位，线程可以向其中放入自己想要交换的数据，然后阻塞在此，等待其它线程填充另外的槽位。等两个槽位都填充数据后，Exchanger 会把槽位调换位置，让线程取到另外线程放入的数据。如下图所示：
前面的描述只是为了帮助理解，其实Exchanger 真实的设计更为复杂。下面我们先通过一个简单的例子来看看如何使用 Exchanger。
## 1、Exchanger 的使用
我们设想如下场景：如果今天上午你需要给你女朋友快递一部手机，但是突然你要去一个紧急的会议。于是你把快递的东西留给你的同事。当快递取件员上门时，他会把快递底单给你同事，你同事则会把快递给取件员。然后你的同事再把快递底单给你。
这个场景里，你和快递员就是两个不同的线程。而你的同事是 Exchanger，负责你和快递员间进行物品交换。我们看看代码应该如何编写：
~~~java
public class ExchangerClient {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Exchanger<String> workmate = new Exchanger<>();
Thread michael = new Thread(() -> {
String threadName = Thread.currentThread().getName();
try {
System.out.println(threadName+": I'm Michael and want to delivery a phone to my friend");
System.out.println(threadName+": There is an emergency meeting");
System.out.println(threadName+": I give the phone to my workmate.");
System.out.println(threadName+": He will help me to delivery the phone and return the express document to me");
String expressDocument = workmate.exchange("---phone---");
System.out.println(threadName+": I got the express document"+ expressDocument);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
},"Michael");
Thread deliveryman = new Thread(() -> {
String threadName = Thread.currentThread().getName();
try {
System.out.println(threadName+": I'm a deliveryman");
System.out.println(threadName+": I'm going to get Michael's express from his workmate and give the express document to his workmate");
String expressGoods = workmate.exchange("---phone express document----");
System.out.println(threadName+": I got the goods of "+expressGoods);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
},"Deliveryman");
michael.start();
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
deliveryman.start();
}
}
~~~
Michael 通过 Exchanger 的实例 workmate，把 phone 交给了快递员。而快递员也通过 workmate 把快递单据给了 Michael。我们看一下输出：
~~~
Michael: I'm Michael and want to delivery a phone to my friend
Michael: There is an emergency meeting
Michael: I give the phone to my workmate.
Michael: He will help me to delivery and return the express document to me
Deliveryman: I'm a deliveryman
Deliveryman: I'm going to get Michael's express from his workmate and give the express document to his workmate
Deliveryman: I got the goods of ---phone---
Michael: I got the express document---phone express document----
~~~
可以看出 Michael 在调用 workmate.exchange("—phone—") 后被阻塞。而当 deliveryman 调用 workmate.exchange("—phone express document——") 后，两个线程才继续往下走，并且进行了数据交换。 Michael 发出了货物 “—phone—”，得到了 “—phone express document----”。而 deliveryman 则得到了 “—phone—”，发出了 “—phone express document——”。
两个线程通过 Exchanger 实现了数据的交换。
## 2、多于两个线程使用 Exchanger
Exchanger 支持两个线程数据互换，那么你有没有想过多于两个线程使用 Exchanger 做数据交换会怎么样呢？我们把上买呢例子改一下，假如另外一个同事 Green 也想通过 workmate 协助发送快递，那么会怎么样？
~~~java
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Exchanger<String> workmate = new Exchanger<>();
Thread michael = new Thread(() -> {
String threadName = Thread.currentThread().getName();
try {
System.out.println(threadName+": I'm Michael and want to delivery a phone to my friend");
System.out.println(threadName+": There is an emergency meeting");
System.out.println(threadName+": I give the phone to my workmate.");
System.out.println(threadName+": He will help me to delivery the phone and return the express document to me");
String expressDocument = workmate.exchange("---phone---");
System.out.println(threadName+": I got the express document"+ expressDocument);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
},"Michael");
Thread green = new Thread(() -> {
String threadName = Thread.currentThread().getName();
try {
System.out.println(threadName+": I'm green and want to delivery a macbook to my friend");
System.out.println(threadName+": There is an emergency meeting");
System.out.println(threadName+": I give the macbook to my workmate.");
System.out.println(threadName+": He will help me to delivery the macbook and return the express document to me");
String expressDocument = workmate.exchange("---macbook---");
System.out.println(threadName+": I got the express document"+ expressDocument);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
},"Green");
Thread deliveryman = new Thread(() -> {
String threadName = Thread.currentThread().getName();
try {
System.out.println(threadName+": I'm a deliveryman");
System.out.println(threadName+": I'm going to get Michael's express from his workmate and give the express document to his workmate");
String expressGoods = workmate.exchange("---phone express document----");
System.out.println(threadName+": I got the goods of "+expressGoods);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
},"Deliveryman");
michael.start();
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
green.start();
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
deliveryman.start();
}
~~~
我们加入 Green 线程，并且在 Michael 线程启动后，先启动 Green 线程。输出如下：
~~~
Michael: I'm Michael and want to delivery a phone to my friend
Michael: There is an emergency meeting
Michael: I give the phone to my workmate.
Michael: He will help me to delivery the phone and return the express document to me
Green: I'm green and want to delivery a macbook to my friend
Green: There is an emergency meeting
Green: I give the macbook to my workmate.
Green: He will help me to delivery the macbook and return the express document to me
Green: I got the express document---phone---
Michael: I got the express document---macbook---
Deliveryman: I'm a deliveryman
Deliveryman: I'm going to get Michael's express from his workmate and give the express document to his workmate
~~~
可见 Michael 和 Green 进行了数据交换，双方都没有和 Deliveryman 做数据交换。结果是双方的快递都没送到快递员手中，而快递员由于没有收到快递，所以一直被阻塞住了。
根据以上实验结果我们总结一下：
1、Exchanger 支持多个线程做数据交换；
2、多个线程使用同一个 Exchanger 做数据交换时，结果随机，只要凑满一对，就会进行交换。
## 3、Exchanger实现分析
Exchanger 虽然使用起来很简单，但是其源码还是比较复杂的。下面我们来分析它实现的原理。
Exchanger 类中的注解很详细地阐述了其实现原理，并且用一段伪代码描述了它的原理：
~~~java
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
}
~~~
可以看到 Exhcanger 使用 slot 作为容器，保存数据 item。当 A 线程进入时，如果发现 slot 是空的，则把 item 放入 node，然后放入 slot。A 线程此时开始阻塞。B 线程进入后发现 slot 不为空，则从 slot 中取出node，把 slot 置空。此线程从 node 中取出数据，并且把自己的数据放入 node 中，然后通知阻塞的线程恢复，阻塞线程恢复后从 node 中取出数据。从而实现了数据的交换。
Java5 的时候，采用的就是这种算法。一般来说没有什么问题。但是当大量并发时，会存在激烈的竞争。于是在Java6 开始，加入 slot 数组，让不同线程使用不同的 slot，提升并发的性能。不过在没有并发的时候还是使用一个 slot 来做交换。
我们看下核心的 exchange 方法代码：
~~~java
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;
}
~~~
arena 为 slot 数组。可以看到 arena 为 null 时，还是使用的 slot 交换算法 slotExchange。如果 arena 不为 null进入 if 的 && 的第二个条件判断。在判断中执行了 arenaExchange，此时通过 arena 也就是 slot 数组完成交换。
具体的算法不再详述，和上面伪代码的思想是一致的。
## 4、总结
Exchanger 在我们实际开发中使用不多，但是我们也应该了解其用法和原理，以便在合适场景出现时，我们能识别出应该采用 Exchanger。在 Exchanger 类的注解中，可以看到它适用于基因算法。因为不同基因的搭配测试就应该是随机进行交换的。此外还适用于管道的设计（pipeline design），让数据在管道中做交换。
}
- 前言
- 第1章 Java并发简介
- 01 开篇词：多线程为什么是你必需要掌握的知识
- 02 绝对不仅仅是为了面试—我们为什么需要学习多线程
- 03 多线程开发如此简单—Java中如何编写多线程程序
- 04 人多力量未必大—并发可能会遇到的问题
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- 05 看若兄弟，实如父子—Thread和Runnable详解
- 06 线程什么时候开始真正执行？—线程的状态详解
- 07 深入Thread类—线程API精讲
- 08 集体协作，什么最重要？沟通！—线程的等待和通知
- 09 使用多线程实现分工、解耦、缓冲—生产者、消费者实战
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- 10 有福同享，有难同当—原子性
- 11 眼见不实—可见性
- 12 什么？还有这种操作！—有序性
- 13 问题的根源—Java内存模型简介
- 14 僵持不下—死锁详解
- 第4章 如何解决并发问题
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- 第5章 线程池
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- 20 其实不用造轮子—Executor框架详解
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- 25 经典并发容器，多线程面试必备—深入解析ConcurrentHashMap下
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- 27 倒数计时开始，三、二、一—CountDownLatch详解
- 28 人齐了，一起行动—CyclicBarrier详解
- 29 一手交钱，一手交货—Exchanger详解
- 30 限量供应，不好意思您来晚了—Semaphore详解
- 第7章 高级并发工具类及并发设计模式
- 31 凭票取餐—Future模式详解
- 32 请按到场顺序发言—Completion Service详解
- 33 分阶段执行你的任务-学习使用Phaser运行多阶段任务
- 34 谁都不能偷懒-通过 CompletableFuture 组装你的异步计算单元
- 35拆分你的任务—学习使用Fork/Join框架
- 36 为多线程们安排一位经理—Master/Slave模式详解
- 第8章 总结
- 37 结束语