歡迎來到《並發王者課》，本文是該系列文章中的第22篇，鉑金中的第9篇。
在前面的文章中，我們已經介紹了ReentrantLock，CountDownLatch，CyclicBarrier，Semaphore等同步工具。在本文中，將為你介紹最后一個同步工具，即Exchanger.
Exchanger用於兩個線程在某個節點時進行數據交換。在用法上，Exchanger並不復雜，但是實現上會稍微有點費解。所以，考慮到Exchanger在平時使用的場景並不多，況且多數讀者對一些“枯燥”的源碼的耐受度有限（可能引起不適或煩躁等不良情緒，阻礙學習），本文將側重講它的使用和思想，對於源碼不會過多展開，點到為止。
一、Exchanger的使用場景
在峽谷中，鎧和蘭陵王都是擅長打野的英雄，各自對野怪的偏好也不完全相同。所以，為了能得到自己想要的野怪，他們經常會在峽谷的交易中心交換各自的獵物。
這一天，鎧打到了一只棕熊，而蘭陵王則收獲了一只野狼，並且彼此都想要對方的野怪。於是，他們約定在峽谷交易中心交換雙方的野怪，誰先到了就先等會。這個過程，可以用下面這幅圖來表示：
在鎧和蘭陵王交換獵物的過程中，有三個點需要你留意：
- 交換的雙方有明確的交易地點（峽谷交易中心）；
- 交換的雙方具有明確的交易對象（比如棕熊和野狼）；
- 誰先到了就等會兒（他們中總會有先來后到）。
如果用代碼來實現的話，也是有多種方式可以選擇，比如前面所學過的同步方法等。不過，雖然做也是可以做的，只是沒那么方便。所以，接下來我們就用Exchanger來實現這一過程。
在下面的代碼中，我們定義了一個exchanger，它就類似於峽谷交易中心，而它的類型Exchanger<WildMonster> 則明確表示交換的對象是野怪。
接着，我們再定義兩個線程，分別代表鎧和蘭陵王。在其線程的內部，會通過前面定義的exchanger對象來和對方進行交換數據。交換完成后，他們彼此將獲得對方的物品。
public static void main(String[] args) {
Exchanger<WildMonster> exchanger = new Exchanger<> (); // 定義交換地點和交換類型
Thread 鎧 = newThread("鎧", () -> {
try {
WildMonster wildMonster = new Bear("棕熊");
say("我手里有一只：" + wildMonster.getName());
WildMonster exchanged = exchanger.exchange(wildMonster); // 交換后將獲得對方的物品
say("交易完成，我獲得了：", wildMonster.getName(), "->", exchanged.getName());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
Thread 蘭陵王 = newThread("蘭陵王", () -> {
try {
WildMonster wildMonster = new Wolf("野狼");
say("我手里有一只：" + wildMonster.getName());
WildMonster exchanged = exchanger.exchange(wildMonster);
say("交易完成，我獲得了：", wildMonster.getName(), "->", exchanged.getName());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
鎧.start();
蘭陵王.start();
}
下面是上面代碼用到的內部類：
@Data
private static class WildMonster {
protected String name;
}
private static class Wolf extends WildMonster {
public Wolf(String name) {
this.name = name;
}
}
private static class Bear extends WildMonster {
public Bear(String name) {
this.name = name;
}
}
示例代碼運行結果如下：
鎧:我手里有一只：棕熊
蘭陵王:我手里有一只：野狼
蘭陵王:交易完成，我獲得了：野狼->棕熊
鎧:交易完成，我獲得了：棕熊->野狼
Process finished with exit code 0
從結果中可以看到，鎧用棕熊換到了野狼，而蘭陵王則用野狼換到了棕熊，他們完成了交換。
以上就是Exchanger的用法，看起來還是非常簡單的，事實上也確實很簡單。在使用Exchanger的時候要注意下面幾點：
- 定義Exchanger對象，各線程通過這個對象完成交換；
- 在Exchanger對象中要定義類型，也就是這兩個線程要交換什么；
- 線程在調用Exchanger進行交換時，要特別注意的是，先到的那個線程會原地等待另外一個線程的出現。比如，鎧先到交換地點，可這時候蘭陵王還沒有到，那么鎧會等待蘭陵王的出現，除非超過設置的時間限制，比如蘭陵王中途被妲己蹲了草叢。反之亦然，蘭陵王先到也到等鎧的出現。
二、Exchanger的源碼與實現
雖然理解Exchanger的思想很容易，了解其用法也很簡單，但是若要理清它幾百余行的源碼卻並非易事。其原因在於，槽是Exchanger中的核心概念和屬性，Exchanger中的數據交換分為單槽交換和多槽交換，其中單槽交換源碼簡單，但多槽交換卻很復雜。所以，下文對Exchanger源碼的闡述以概括為主，不會對源碼深究。如果你有興趣，可以參考閱讀這篇文章，作者對其源碼的解讀較為詳細。
1. 核心構造
與其他同步工具不同的是，Exchanger有且僅有一個構造函數。在這個構造中，也只初始化了一個對象participant.
public Exchanger() {
participant = new Participant();
}
從繼承關系看，Participant本質上是一個ThreadLocal，而其中的Node則是線程的本地變量。
static final class Participant extends ThreadLocal<Node> {
public Node initialValue() {
return new Node();
}
}
2. 核心屬性
Exchanger有四個核心變量，如下所示。當然，除此之外，還有一些用以計算的其他變量。不過，為避免引入不必要的復雜度，本文暫不提及。
//ThreadLocal變量，每個線程都有自己的一個副本
private final Participant participant;
//多槽位，高並發下使用，保存待匹配的Node實例
private volatile Node[] arena;
//單槽位，arena未初始化時使用的保存待匹配的Node實例
private volatile Node slot;
//初始值為0，當創建arena后會被賦值成SEQ，用來記錄arena數組的可用最大索引，會隨着並發的增大而增大直到等於最大值FULL，會隨着並行的線程逐一匹配成功而減少恢復成初始值
private volatile int bound;
Node的具體細節，注意其中的item和match.
@sun.misc.Contended static final class Node {
int index; //arena的下標，多個槽位的時候使用
int bound; // 上一次記錄的Exchanger.bound
int collides; // 記錄的 CAS 失敗數
int hash; // 用於自旋
Object item; // 這個線程的數據項
volatile Object match; // 交換的數據
volatile Thread parked; // 當阻塞時，設置此線程，不阻塞的話會自旋
}
3. 核心方法
// 交換數據
// 如果一個線程達到后，會等待其他線程的到達（除非自己被中斷）。然后，該線程會和到達的線程交換數據。
// 如果線程在到達后，已經有其他線程在等待。那么，將會喚起該線程並交換數據。
public V exchange(V x) throws InterruptedException {...}
//帶有超時限制的交換
public V exchange(V x, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, TimeoutException {...}
所以，從源碼上看上文的示例，那么鎧和蘭陵王交換數據的過程應該是下面這樣的：
小結
以上就是關於Exchanger的全部內容。在學習Exchanger時，要側重理解它所要解決的問題場景，以及它的基本用法。對於其源碼，當前階段可以選擇“不求甚解”，以降維的方式降低學習難度，日后再循序漸進理解。我在寫本文時，也曾多次考慮是否要講清楚源碼，最終還是決定暫緩，畢竟現階段理解它、學會它才是重點。
正文到此結束，恭喜你又上了一顆星✨
夫子的試煉
- 使用Exchanger實現生產者與消費者。
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