线程同步辅助类——Exchanger

Posted 2020-06-12

下面是java6中文API对Exchanger的解释：

能够在对中对元素进行配对和交换的线程的同步点。每一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，而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（比方遗传算法和管道设计）中非常实用。 

使用方法演示样例：下面是重点介绍的一个类。该类使用 Exchanger 在线程间交换缓冲区，因此，在须要时，填充缓冲区的线程获取一个新腾空的缓冲区，并将填满的缓冲区传递给腾空缓冲区的线程。 

class FillAndEmpty {
   Exchanger<DataBuffer> exchanger = new Exchanger<DataBuffer>();
   DataBuffer initialEmptyBuffer = ... a made-up type
   DataBuffer initialFullBuffer = ...

   class FillingLoop implements Runnable {
     public void run() {
       DataBuffer currentBuffer = initialEmptyBuffer;
       try {
         while (currentBuffer != null) {
           addToBuffer(currentBuffer);
           if (currentBuffer.isFull())
             currentBuffer = exchanger.exchange(currentBuffer);
         }
       } catch (InterruptedException ex) { ... handle ... }
     }
   }

   class EmptyingLoop implements Runnable {
     public void run() {
       DataBuffer currentBuffer = initialFullBuffer;
       try {
         while (currentBuffer != null) {
           takeFromBuffer(currentBuffer);
           if (currentBuffer.isEmpty())
             currentBuffer = exchanger.exchange(currentBuffer);
         }
       } catch (InterruptedException ex) { ... handle ...}
     }
   }

   void start() {
     new Thread(new FillingLoop()).start();
     new Thread(new EmptyingLoop()).start();
   }
  }

这个类有两个方法，各自是：

exchange
public V exchange(V x)
           throws InterruptedException等待还有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。 
假设还有一个线程已经在交换点等待，则出于线程调度目的。继续运行此线程。并接收当前线程传入的对象。
当前线程马上返回，接收其它线程传递的交换对象。 

假设还没有其它线程在交换点等待，则出于调度目的，禁用当前线程，且在发生下面两种情况之中的一个前，该线程将一直处于休眠状态： 

其它某个线程进入交换点；或者 
其它某个线程中断当前线程。
 
假设当前线程： 

在进入此方法时已经设置了该线程的中断状态；或者 
在等待交换时被中断， 
则抛出 InterruptedException。而且清除当前线程的已中断状态。
 

參数：
x - 要交换的对象 
返回：
还有一个线程提供的对象 
抛出： 
InterruptedException - 假设当前线程在等待时被中断

exchange
public V exchange(V x,
                  long timeout,
                  TimeUnit unit)
           throws InterruptedException,
                  TimeoutException等待还有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，同一时候接收该线程的对象。 
假设还有一个线程已经在交换点上等待，则出于线程调度目的，继续运行此线程，并接收当前线程传入的对象。当前线程马上返回，并接收其它线程传递的交换对象。 

假设还没有其它线程在交换点等待，则出于调度目的。禁用当前线程。且在发生下面三种情况之中的一个前，该线程将一直处于休眠状态： 

其它某个线程进入交换点；或者 
其它某个线程中断当前线程。或者 
已超出指定的等待时间。
 
假设当前线程： 

在进入此方法时已经设置当中断状态；或者 
在等待交换时被中断。 
则抛出 InterruptedException，而且清除当前线程的已中断状态。 
假设超出指定的等待时间，则抛出 TimeoutException 异常。假设该时间小于等于零。则此方法根本不会等待。
 


參数：
x - 要交换的对象
timeout - 要等待的最长时间
unit - timeout 參数的时间单位 
返回：
其它线程提供的对象 
抛出： 
InterruptedException - 假设当前线程在等待时被中断 
TimeoutException - 假设在还有一个线程进入交换点之前已经到达指定的等待时间

相信通过上述的描写叙述对这个类的使用方法已经有了一定的认识，简而言之中的一个句话：通过exchange方法把该方法參数指向的參数表述的数据结构进行数据交换，须要注意的是交换

后不是在原有地址即參数指向的地址改动数据，而是通过得到返回的新的指针空间来获得新的数据结构。这也就是为什么上述样例要：

currentBuffer = exchanger.exchange(currentBuffer);

这么表示。而不是

exchanger.exchange(currentBuffer);

如此表示的原因。

Exchanger的应用场景是：仅仅有一个生产者和消费者的生产消费场景。

我写了个样例来描写叙述Exchanger的使用方法：

Producer：消费生产者。生产100条消息。每10条消息传递给消费者，即交换数据结构

Consumer：消息消费者，消费生产者生产的消息，每10条消息消费一次，即交换数据结构一次

Core：程序入口：定义了buffer1、buffer2来储存消息数据和exchanger来交换数据

代码例如以下：

package com.ali.concurrency.exchanger;

import java.util.List;
import java.util.concurrent.Exchanger;

public class Producer implements Runnable {

	private List<String> buffer;
	
	private final Exchanger<List<String>> exchanger;
	
	public Producer(List<String> buffer, Exchanger<List<String>> exchanger){
		
		this.buffer = buffer;
		this.exchanger = exchanger;
		
	}
	
	@Override
	public void run() {

		for(int i = 0; i < 10; i ++){
			System.out.println("Producer cycle:" + (i+1));
			for(int j = 0; j < 10; j ++){
				String mess = "message:" + (i * 10) + j;
				System.out.println("produce:" + mess);
				buffer.add(mess);
			}
			try {
				buffer = exchanger.exchange(buffer);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
		
	}

}

package com.ali.concurrency.exchanger;

import java.util.concurrent.Exchanger;
import java.util.List;

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() {
		
		for(int i = 0; i < 10; i ++){
			System.out.println("Consumer cycle:" + (i+1));
			try {
				buffer = exchanger.exchange(buffer);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
			for(int j = 0; j < 10; j ++){
				String mess = buffer.get(0);
				System.out.println("consume:" + mess);
				buffer.remove(0);
			}
		}

	}

}

package com.ali.concurrency.exchanger;

import java.util.List;
import java.util.ArrayList;
import java.util.concurrent.Exchanger;

public class Core {
	
	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>>();
		
		Producer producer = new Producer(buffer1,exchanger);
		Consumer consumer = new Consumer(buffer2,exchanger);
		
		Thread producerThread = new Thread(producer);
		Thread consumerThread = new Thread(consumer);
		
		producerThread.start();
		consumerThread.start();
		
	}

}

有这么几个须要注意的地方：

1、为什么Producer和Consumer中的buffer对象不设置成final；这个原因在上边我们已经解释过；

2、为什么Consumer消费的时候要

for(int j = 0; j < 10; j ++){
				String mess = buffer.get(0);
				System.out.println("consume:" + mess);
				buffer.remove(0);
			}

这么写

而不是

for(int j = 0; j < 10; j ++){
				String mess = buffer.get(j);
				System.out.println("consume:" + mess);
				buffer.remove(j);
			}

这么写。