【JUC】交换器Exchanger详解

 

前言

JDK中提供了不少的同步工具,现在分享一个相对比较冷门的同步工具——交换器(Exchanger)。你知道Exchanger的作用是什么吗?实现机制是什么?可以用来做什么呢?

Exchanger介绍

交换器(Exchanger),顾名思义,用于两个线程之间进行数据交换的。

简单来说,就是一个线程在完成一定的事务后想与另一个线程交换数据,则第一个先拿出数据的线程会一直等待第二个线程,直到第二个线程拿着数据到来时才能彼此交换对应数据。如下图所示:

两个线程通过 exchange() 方法交换数据,如果第一个线程先执行 exchange() 方法,它会一直等待第二个线程也执行 exchange 方法,当两个线程都到达同步点时,这两个线程就可以交换数据

API介绍

构造方法

  • Exchanger():创建一个交换器

常用方法

  • V exchange(V x): 交换数据,如果只有一个线程,会阻塞,直到另外一个线程也调用exchange, 支持中断
  • V exchange(V x, long timeout, TimeUnit unit): 带超时参数的交换数据

Exchanger使用

这不,马上圣诞节要到了,你要和你对象交换礼物,不准备的话,你就要死的很惨~~我们就可以用Exchanger来实现。

@Slf4j(topic = "c.ExchangerTest")
public class ExchangerTest {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Exchanger<String> exchanger = new Exchanger<>();

        Thread boy = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                log.info("你开始准备礼物~~~~~~~~~~~~");
                try {
                    // 模拟准备礼物时间
                    Thread.sleep(5000);

                    String gift = "IPhone 14";
                    log.info("你送了礼物: {}",  gift);
                    String recGift = exchanger.exchange(gift);
                    log.info("你收到了礼物: {}",  recGift);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });

        Thread girl = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                log.info("女朋友开始准备礼物~~~~~~~~~~~~");
                try {
                    // 模拟准备礼物时间
                    Thread.sleep(6000);

                    String gift = "一个吻";
                    log.info("女朋友送了礼物: {}",  gift);
                    String recGift = exchanger.exchange(gift);
                    log.info("女朋友收到了礼物: {}",  recGift);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });

        boy.start();
        girl.start();

        boy.join();
        girl.join();

    }
}
复制代码

运行结果:

  • 中间阻塞等待了一秒,直到你女朋友也准备好了礼物。

实现机制

实现机制也很容易能够想到,Exchanger类中定义一个槽位slot,

  1. 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, 阻塞当前线程,等待其它线程进来交换数据
  2. 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。

Exchanger的源码实现大家感兴趣的话,自己可以看看。

总结

本文讲解了交换器Exchanger,是jdk5中引入的一个同步器。实际上在平时工作场景中基本上很少应用,按照官方注释说可以应用在基因算法或者管道设计,太抽象了,大家就当扩扩知识面吧。

<think>嗯,用户让我介绍一下JUC里的Exchanger,我得先回忆一下相关知识。ExchangerJava并发工具中的一个类,主要用于两个线程之间交换数据。可能用户已经对CountDownLatch、CyclicBarrier这些有所了解,现在想扩展到更少见的同步工具。 首先,我需要确定Exchanger的基本概念。它允许两个线程在某个同步点交换彼此的数据。比如,一个线程生产数据,另一个消费,他们可以用Exchanger来交换数据。这点需要明确说明,可能用户需要知道使用场景。 然后,核心方法应该是exchange(),这个方法会阻塞直到另一个线程也调用它。可能还有带超时的版本。这里要详细说明方法的使用方式,以及可能抛出的异常,比如中断或超时。 接下来,需要考虑它的实现原理。记得Exchanger使用了类似双重槽位的设计,通过CAS操作来保证线程安全。可能涉及到LockSupport的park和unpark,或者自旋等待。这部分可能需要深入源码分析,但用户可能不需要太底层的细节,但作为超详细介绍,还是得提到。 使用场景方面,除了生产者-消费者,还有线程间数据交换的其他例子,比如游戏服务器中的玩家交易,或者管道化处理的不同阶段交换数据。需要举一些实际的例子,让用户更容易理解。 注意事项方面,线程数超过两个的情况,Exchanger可能不适用,会出问题。另外,exchange()的调用时机需要协调,否则可能线程一直阻塞。还要提醒处理中断和超时的情况,避免程序挂死。 可能用户是正在学习Java并发编程的开发者,需要实际应用Exchanger解决问题,或者面试中遇到相关问题。需要给出一个简单的代码示例,比如两个线程交换字符串,这样直观明了。 还要比较Exchanger和其他同步工具的区别,比如和SynchronousQueue的不同。SynchronousQueue是传递数据,而Exchanger是双向交换,这可能容易混淆,需要澄清。 总结的时候,要强调Exchanger的适用场景和限制,帮助用户判断何时使用。另外,提醒线程间协作的必要性,以及正确使用的重要性,避免常见错误。</think>JUCExchanger超详细解析(附核心源码分析) ExchangerJava并发包(java.util.concurrent)中用于两个线程间交换数据的同步工具类。以下是分步骤详解: 一、核心特性 1. 双向数据交换 - 仅支持两个线程间的数据交换(❗超过两个线程会抛出异常) - 线程A调用exchange()时会阻塞,直到线程B也调用exchange() - 数据交换完成后,双方线程继续执行 2. 方法签名 ```java public V exchange(V x) throws InterruptedException public V exchange(V x, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, TimeoutException ``` 二、底层实现原理(基于JDK17) 1. 核心数据结构 ```java private static final class Node { int index; // 索引编号 int bound; // 边界值 int collides; // CAS失败次数 int hash; // 伪随机数 Object item; // 当前线程携带的数据 volatile Object match; // 配对线程返回的数据 volatile Thread parked; // 挂起的线程 } ``` 2. 交换流程 - 使用`Slot`数组实现多参与者模式(避免竞争) - 采用CAS+自旋实现无锁化操作 - 当发生哈希冲突时,通过`bound`和`collides`字段进行扩容控制 三、使用场景示例 ```java // 生产者-消费者模型 Exchanger<String> exchanger = new Exchanger<>(); // 生产者线程 new Thread(() -> { try { String data = "Product-"+System.currentTimeMillis(); String received = exchanger.exchange(data); System.out.println("Producer received: " + received); } catch (InterruptedException e) { Thread.currentThread().interrupt(); } }).start(); // 消费者线程 new Thread(() -> { try { String data = "Money-$100"; String received = exchanger.exchange(data); System.out.println("Consumer received: " + received); } catch (InterruptedException e) { Thread.currentThread().interrupt(); } }).start(); ``` 四、关键注意事项 1. 线程数量限制 - 严格仅支持两个线程交换数据 - 第三个线程调用exchange()会导致`IllegalStateException` 2. 超时控制 - 建议使用带超时的exchange方法 - 防止线程永久阻塞(默认最大等待时间约273年) 3. 中断处理 - 当线程被中断时抛出InterruptedException - 需要正确处理中断状态 五、性能优化技巧 1. 避免频繁创建 - Exchanger实例可重复使用 - 初始化成本较高(涉及内部数组的创建) 2. 对象复用 - 尽量复用交换对象(减少GC压力) - 推荐使用不可变对象 六、与SynchronousQueue对比 | 特性 | Exchanger | SynchronousQueue | |--------------------|-------------------|------------------| | 数据方向 | 双向交换 | 单向传递 | | 线程数量 | 严格两个 | 多个生产/消费者 | | 数据结构 | 无缓冲 | 可选公平策略 | | 适用场景 | 对等数据交换 | 生产-消费管道 | 七、源码级优化点 1. 消除伪共享 - 使用`@jdk.internal.vm.annotation.Contended`注解 - 对Node类进行缓存行填充(避免CPU缓存失效) 2. 哈希算法优化 ```java // 使用Marsaglia XorShift随机数算法 private static final int getProbe() { return ThreadLocalRandom.current().nextInt(); } ``` 常见问题解决方案: 1. 线程阻塞问题 - 使用`exchange(V x, long timeout, TimeUnit unit)`方法 - 设置合理的超时阈值 2. 数据竞争问题 - 建议交换不可变对象 - 如果必须使用可变对象,需要额外同步机制 适用场景建议: ✅ 游戏服务器玩家交易系统 ✅ 双线程数据校验核对 ✅ 管道式处理中间交换 ❌ 高吞吐量数据交换(推荐使用Disruptor)
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