Java利用 Exchanger 實現遊戲中交換裝備

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1 Exchanger 是什麼

JDK 1.5 開始 JUC 包下提供的 Exchanger 類可用於兩個線程之間交換信息。Exchanger 對象可理解為一個包含2個格子的容器，通過調用 exchanger 方法向其中的格子填充信息，當兩個格子中的均被填充信息時，自動交換兩個格子中的信息，然後將交換的信息返回給調用線程，從而實現兩個線程的信息交換。

功能看似簡單，但這在某些場景下是很有用處的，例如遊戲中兩個玩傢交換裝備；交友軟件男女心儀對象匹配。

下面簡單模擬下兩個玩傢交換裝備的場景。

package com.chenpi;

import java.util.concurrent.Exchanger;

/**
 * @Description
 * @Author 陳皮
 * @Date 2021/7/11
 * @Version 1.0
 */
public class ChenPiMain {

  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

    Exchanger<String> exchanger = new Exchanger<>();

    new Thread(() -> {
      String str = null;
      try {
        str = exchanger.exchange("屠龍刀");
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
      System.out.println("交易成功，" + Thread.currentThread().getName() + "獲得" + str);
    }, "周芷若").start();

    new Thread(() -> {
      String str = null;
      try {
        str = exchanger.exchange("倚天劍");
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
      System.out.println("交易成功，" + Thread.currentThread().getName() + "獲得" + str);
    }, "張無忌").start();
  }
}

輸出結果如下：

交易成功，張無忌獲得屠龍刀
交易成功，周芷若獲得倚天劍

2 Exchanger 詳解

Exchager 類可用於兩個線程之間交換信息，如果一個線程調用瞭 Exchanger 對象的 exchange 方法之後，會一直阻塞直到另一個線程來和它交換信息，交換之後的信息返回給調用線程，從而實現兩個線程的信息交換。

Exchager 底層也是使用到瞭自旋和 cas 機制。

註意：如果超過兩個線程調用同一個 Exchanger 對象 exchange 方法時，結果是不可預計的，隻要有2個線程滿足條件瞭，就認為匹配成功並交換信息。而剩下的未能得到配對的線程，則會被阻塞一直等待直到有另一個線程能與它匹配與之配對。

package com.chenpi;

import java.util.concurrent.Exchanger;

/**
 * @Description
 * @Author 陳皮
 * @Date 2021/7/11
 * @Version 1.0
 */
public class ChenPiMain {

  public static void main(String[] args) {

    Exchanger<String> exchanger = new Exchanger<>();

    new Thread(() -> {
      String str = null;
      try {
        str = exchanger.exchange("屠龍刀");
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
      System.out.println("交易成功，" + Thread.currentThread().getName() + "獲得" + str);
    }, "周芷若").start();

    new Thread(() -> {
      String str = null;
      try {
        str = exchanger.exchange("倚天劍");
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
      System.out.println("交易成功，" + Thread.currentThread().getName() + "獲得" + str);
    }, "張無忌").start();

    new Thread(() -> {
      String str = null;
      try {
        str = exchanger.exchange("假的倚天劍");
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
      System.out.println("交易成功，" + Thread.currentThread().getName() + "獲得" + str);
    }, "成昆").start();
  }
}

// 輸出結果如下
交易成功，周芷若獲得假的倚天劍
交易成功，成昆獲得屠龍刀

當然，在等待交換信息的線程是可以被中斷的，就比如玩傢在等待交易過程中，突然玩傢下線瞭，那就應該中斷線程等待。

package com.chenpi;

import java.lang.Thread.State;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.Exchanger;

/**
 * @Description
 * @Author 陳皮
 * @Date 2021/7/11
 * @Version 1.0
 */
public class ChenPiMain {

  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

    Exchanger<String> exchanger = new Exchanger<>();

    List<Thread> threads = new ArrayList<>(3);

    Thread thread1 = new Thread(() -> {
      String str = null;
      try {
        str = exchanger.exchange("屠龍刀");
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
      System.out.println("交易成功，" + Thread.currentThread().getName() + "獲得" + str);
    }, "周芷若");
    threads.add(thread1);

    Thread thread2 = new Thread(() -> {
      String str = null;
      try {
        str = exchanger.exchange("倚天劍");
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
      System.out.println("交易成功，" + Thread.currentThread().getName() + "獲得" + str);
    }, "張無忌");
    threads.add(thread2);

    Thread thread3 = new Thread(() -> {
      String str = null;
      try {
        str = exchanger.exchange("假的屠龍刀");
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
      System.out.println("交易成功，" + Thread.currentThread().getName() + "獲得" + str);
    }, "成昆");
    threads.add(thread3);

    for (Thread thread : threads) {
      thread.start();
    }

    // 等待5秒
    Thread.sleep(5000);

    for (Thread thread : threads) {
      System.out.println(thread.getName() + ":" + thread.getState());
      // 如果還在阻塞等待則中斷線程
      if (thread.getState() == State.WAITING) {
        thread.interrupt();
      }
    }
  }
}

// 輸出結果如下
交易成功，張無忌獲得屠龍刀
交易成功，周芷若獲得倚天劍
周芷若:TERMINATED
張無忌:TERMINATED
成昆:WAITING
交易成功，成昆獲得null
java.lang.InterruptedException
    at java.util.concurrent.Exchanger.exchange(Exchanger.java:568)
    at com.chenpi.ChenPiMain.lambda$main$2(ChenPiMain.java:47)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

上面演示的是線程如果等不到另一個線程和它交換信息，則會一直等待下去。其實 Exchanger 還可以設置等待指定時間。比如系統設置玩傢交換裝備匹配時間為60秒，如果超出時間則終止交易。

package com.chenpi;

import java.util.concurrent.Exchanger;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.TimeoutException;

/**
 * @Description
 * @Author 陳皮
 * @Date 2021/7/11
 * @Version 1.0
 */
public class ChenPiMain {

  public static void main(String[] args) {

    Exchanger<String> exchanger = new Exchanger<>();

    new Thread(() -> {
      try {
        // 超時時間設置為5秒
        String str = exchanger.exchange("屠龍刀", 5, TimeUnit.SECONDS);
        System.out.println("交易成功，" + Thread.currentThread().getName() + "獲得" + str);
      } catch (TimeoutException e) {
        System.out.println("交易超時！");
        e.printStackTrace();
      } catch (InterruptedException e) {
        System.out.println("交易異常終止");
        e.printStackTrace();
      }
    }, "周芷若").start();
  }
}

// 輸出結果如下
交易超時！
java.util.concurrent.TimeoutException
    at java.util.concurrent.Exchanger.exchange(Exchanger.java:626)
    at com.chenpi.ChenPiMain.lambda$main$0(ChenPiMain.java:22)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

3 Exchanger 應用

Exchager 在遺傳算法和管道設計等應用中是非常有用的。比如兩個線程之間交換緩沖區，填充緩沖區的線程在需要時從另一個線程獲得一個剛清空的緩沖區，並將填充的緩沖區傳遞給清空緩沖區的線程。

package com.chenpi;

import java.awt.image.DataBuffer;
import java.util.concurrent.Exchanger;

/**
 * @Description
 * @Author 陳皮
 * @Date 2021/7/11
 * @Version 1.0
 */
public class ChenPiMain {

  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();
  }
}

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