java.util.concurrent.Exchanger应用范例

java.util.concurrent.Exchanger应用范例与原理浅析--转载

一、简介
   Exchanger是自jdk1.5起开始提供的工具套件，一般用于两个工作线程之间交换数据。在本文中我将采取由浅入深的方式来介绍分析这个工具类。首先我们来看看官方的api文档中的叙述：

A synchronization point at which threads can pair and swap elements within pairs. Each thread presents some object on entry to the exchange method, matches with a partner thread, and receives its partner's object on return. An Exchanger may be viewed as a bidirectional form of a SynchronousQueue. Exchangers may be useful in applications such as genetic algorithms and pipeline designs.

    在以上的描述中，有几个要点：

• 此类提供对外的操作是同步的；
• 用于成对出现的线程之间交换数据；
• 可以视作双向的同步队列；
• 可应用于基因算法、流水线设计等场景。

   接着看api文档，这个类提供对外的接口非常简洁，一个无参构造函数，两个重载的范型exchange方法：
public V exchange(V x) throws InterruptedException
public V exchange(V x, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, TimeoutException
   从官方的javadoc可以知道，当一个线程到达exchange调用点时，如果它的伙伴线程此前已经调用了此方法，那么它的伙伴会被调度唤醒并与之进行对象交换，然后各自返回。如果它的伙伴还没到达交换点，那么当前线程将会被挂起，直至伙伴线程到达——完成交换正常返回；或者当前线程被中断——抛出中断异常；又或者是等候超时——抛出超时异常。

二、一个简单的例子
按照某大师的观点，行为知之先，在知道了Exchanger的大致用途并参阅了使用说明后，我们马上动手写个例子来跑一跑：

import java.util.concurrent.Exchanger;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import org.apache.log4j.Logger;

/**
 * @Title: ExchangerTest
 * @Description: Test class for Exchanger
 * @Company: CSAIR
 * @Author: lixuanbin
 * @Creation: 2014年12月14日
 * @Version:1.0
 */
public class ExchangerTest {
    protected static final Logger log = Logger.getLogger(ExchangerTest.class);
    private static volatile boolean isDone = false;

    static class ExchangerProducer implements Runnable {
        private Exchanger<Integer> exchanger;
        private static int data = 1;
        ExchangerProducer(Exchanger<Integer> exchanger) {
            this.exchanger = exchanger;
        }

        @Override
        public void run() {
            while (!Thread.interrupted() && !isDone) {
                for (int i = 1; i <= 3; i++) {
                    try {
                        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                        data = i;
                        System.out.println("producer before: " + data);
                        data = exchanger.exchange(data);
                        System.out.println("producer after: " + data);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        log.error(e, e);
                    }
                }
                isDone = true;
            }
        }
    }

    static class ExchangerConsumer implements Runnable {
        private Exchanger<Integer> exchanger;
        private static int data = 0;
        ExchangerConsumer(Exchanger<Integer> exchanger) {
            this.exchanger = exchanger;
        }

        @Override
        public void run() {
            while (!Thread.interrupted() && !isDone) {
                data = 0;
                System.out.println("consumer before : " + data);
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                    data = exchanger.exchange(data);
                } catch (InterruptedException e) {
                    log.error(e, e);
                }
                System.out.println("consumer after : " + data);
            }
        }
    }

    /**
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
        Exchanger<Integer> exchanger = new Exchanger<Integer>();
        ExchangerProducer producer = new ExchangerProducer(exchanger);
        ExchangerConsumer consumer = new ExchangerConsumer(exchanger);
        exec.execute(producer);
        exec.execute(consumer);
        exec.shutdown();
        try {
            exec.awaitTermination(30, TimeUnit.SECONDS);
        } catch (InterruptedException e) {
            log.error(e, e);
        }
    }
}

   这大致可以看作是一个简易的生产者消费者模型，有两个任务类，一个递增地产生整数，一个产生整数0，然后双方进行交易。每次交易前的生产者和每次交易后的消费者都会sleep 1秒来模拟数据处理的消耗，并在交易前后把整数值打印到控制台以便检测结果。在这个例子里交易循环只执行三次，采用一个volatile boolean来控制交易双方线程的退出。
   我们来看看程序的输出：

consumer before : 0
producer before: 1
consumer after : 1
producer after: 0
consumer before : 0
producer before: 2
producer after: 0
consumer after : 2
consumer before : 0
producer before: 3
producer after: 0
consumer after : 3

    输出结果验证了以下两件事情：

• exchange方法真的帮一对线程交换了数据；
• exchange方法真的会阻塞调用方线程直至另一方线程参与交易。

   那么在中断和超时两种情况下程序的运行表现会是怎样呢？作为一个小练习，有兴趣的观众可以设想并编写测试用例覆盖验证之。接下来谈谈最近我在生产场景中对Exchanger的应用。