Java中的Exchanger

原创于 2025-06-26 08:30:00 发布 · 753 阅读

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#java #synchronized #并发 #Exchanger #数据交换

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Exchanger 是 Java 并发包（java.util.concurrent）中用于两个线程间双向数据交换的同步工具类。它通过提供线程间的配对点（Rendezvous Point），实现双方在同步点交换数据。以下从核心原理到实践场景进行全面解析：

🔧 一、核心原理与设计

1. 基本机制

同步点模型：
- 线程调用 exchange(V x) 时被阻塞，直到另一个线程也调用该方法。
- 双方到达后，互换数据对象并继续执行。
底层实现：
- 槽位（Slot）：通过 AtomicReference 存储线程的 Node 节点，CAS 操作实现线程匹配。
- Arena 模式：高并发时升级为多槽位数组，避免单槽位竞争（如 Node[] arena）。
- 线程控制：阻塞使用 LockSupport.park()，唤醒由配对线程触发 LockSupport.unpark()。

2. 关键特性

双向交换：数据可双向传递（生产者→消费者，消费者→生产者）。
线程阻塞：未配对时线程无限期阻塞（支持超时控制）。
泛型支持：交换对象类型由泛型 V 定义（如 Exchanger<String>）。

3. 数据交换流程

sequenceDiagram
    participant A as Thread A
    participant E as Exchanger
    participant B as Thread B
    A->>E: exchange(dataA)
    B->>E: exchange(dataB)
    E-->>A: dataB
    E-->>B: dataA

🛠️ 二、使用方法与示例

1. 基础用法

import java.util.concurrent.Exchanger;

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

        new Thread(() -> {
            try {
                String dataA = "Data from Thread-A";
                String received = exchanger.exchange(dataA); // 阻塞等待交换
                System.out.println("Thread-A received: " + received);
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        }).start();

        new Thread(() -> {
            try {
                String dataB = "Data from Thread-B";
                String received = exchanger.exchange(dataB);
                System.out.println("Thread-B received: " + received);
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        }).start();
    }
}

输出：

Thread-A received: Data from Thread-B
Thread-B received: Data from Thread-A

2. 超时控制

try {
    String result = exchanger.exchange(data, 2, TimeUnit.SECONDS); // 超时2秒
} catch (TimeoutException e) {
    System.out.println("交换超时，执行备用逻辑");
} catch (InterruptedException e) {
    Thread.currentThread().interrupt();
}

3. 缓冲区交换（生产者-消费者）

Exchanger<List<String>> exchanger = new Exchanger<>();
// 生产者线程
new Thread(() -> {
    List<String> buffer = new ArrayList<>();
    while (true) {
        fillBuffer(buffer); // 生产数据
        buffer = exchanger.exchange(buffer); // 交换空缓冲区
    }
}).start();

// 消费者线程
new Thread(() -> {
    List<String> buffer = Collections.emptyList();
    while (true) {
        buffer = exchanger.exchange(buffer); // 交换填充后的缓冲区
        processBuffer(buffer); // 消费数据
        buffer.clear();
    }
}).start();

优势：避免创建新对象，减少 GC 压力。

⚖️ 三、优缺点分析

维度	优点	缺点
性能	无锁交换（CAS+自旋），高吞吐（Arena 模式）。	仅支持两个线程，多线程需分组+多个实例。
资源开销	直接交换数据，无中间队列内存消耗。	线程阻塞可能造成延迟（尤其未配对时）。
数据一致性	交换后双方获得对方最新数据。	对象共享时需注意线程安全（非深拷贝）。
灵活性	支持超时、中断控制。	无法升级锁（如读锁→写锁）。

🎯 四、适用场景

1. 理想场景

场景	说明
双缓冲流水线	生产者与消费者直接交换缓冲区（如视频帧处理）。
遗传算法	染色体交叉配对时交换基因数据。
校对系统	双人录入数据后交换比对结果（如财务校对）。
双向通信协议	客户端与服务端交替发送/接收消息（如自定义RPC）。