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【Java并发编程实战】—–“J.U.C”:Exchanger

前面介绍了三个同步辅助类:CyclicBarrier、Barrier、Phaser,这篇博客介绍最后一个:Exchanger。JDK API是这样介绍的: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。

在官方API对Exchanger定义是相当简洁的,一个无参构造函数,两个方法:

构造函数:

Exchanger()创建一个新的 Exchanger。

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。
exchange(V x, long timeout, TimeUnit unit):等待另一个线程到达此交换点(除非当前线程被中断,或者超出了指定的等待时间),然后将给定的对象传送给该线程,同时接收该线程的对象。

Exchanger在生产-消费者问题情境中非常有用。在生产者-消费者情境模式中它包含了一个数缓冲区(仓库),一个或者多个生产者,一个或者多个消费中。

下面是生产者-消费者的实例(实例来自《java 7 并发编程实战手册》)

public class Producer implements Runnable{
    
    /**
     * 生产者和消费者进行交换的数据结构
     */
    private List<String> buffer;
    
    /**
     * 同步生产者和消费者的交换对象
     */
    private final Exchanger<List<String>> exchanger;
    
    Producer(List<String> buffer,Exchanger<List<String>> exchanger){
        this.buffer = buffer;
        this.exchanger = exchanger;
    }
    
    @Override
    public void run() {
        int cycle = 1;
        for(int i = 0 ; i < 10 ; i++){
            System.out.println("Producer : Cycle :" + cycle);
            for(int j = 0 ; j < 10 ; j++){
                String message = "Event " + ((i * 10 ) + j);
                System.out.println("Producer : " + message);
                buffer.add(message);
            }
            
            //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("Producer :" + buffer.size());
            cycle++ ;
        }
    }
}

Consumer:

public 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() {
        int cycle = 1;
        for(int i = 0 ; i < 10 ; i++){
            System.out.println("Consumer : Cycle :" + cycle);

            //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("Consumer :" + buffer.size());
            for(int j = 0 ; j < 10 ; j++){
                System.out.println("Consumer : " + buffer.get(0));
                buffer.remove(0);
            }
            cycle++ ;
        }
    }
}

Test:

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> buffer1 = new ArrayList<>();
        List<String> buffer2 = new ArrayList<>();
        
        Exchanger<List<String>> exchanger = new Exchanger<>();
        
        Producer producer = new Producer(buffer1, exchanger);
        Consumer consumer = new Consumer(buffer2, exchanger);
        
        Thread thread1 = new Thread(producer);
        Thread thread2 = new Thread(consumer);
        
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

运行结果(部分):

Producer : Cycle :1
Producer : Event 0
Producer : Event 1
Producer : Event 2
Producer : Event 3
Producer : Event 4
Producer : Event 5
Producer : Event 6
Producer : Event 7
Consumer : Cycle :1
Producer : Event 8
Producer : Event 9
Producer :0
Producer : Cycle :2
Producer : Event 10
Producer : Event 11
Producer : Event 12
Producer : Event 13
Consumer :10
Consumer : Event 0
Consumer : Event 1
Consumer : Event 2
Consumer : Event 3
Consumer : Event 4
Consumer : Event 5
Consumer : Event 6
Consumer : Event 7
Consumer : Event 8
Consumer : Event 9
Consumer : Cycle :2
Producer : Event 14
Producer : Event 15
Producer : Event 16
Producer : Event 17
Producer : Event 18
Producer : Event 19

首先生产者Producer、消费中Consumer首先都创建一个缓存列表,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10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间已经调用了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。

 

参考资料:

1、《java 7 并发编程实战手册》

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