并发编程之Exchanger原理与使用

2024-12-03 16:28

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前言

在JUC包中，除了一些常用的或者说常见的并发工具类(ReentrantLock，CountDownLatch，CyclicBarrier，Semaphore)等，还有一个不常用的线程同步器类 —— Exchanger。

Exchanger是适用在两个线程之间数据交换的并发工具类，它的作用是找到一个同步点，当两个线程都执行到了同步点(exchange方法)之后(有一个没有执行到就一直等待，也可以设置等待超时时间)，就将自身线程的数据与对方交换。

Exchanger 是什么?

它提供一个同步点，在这个同步点两个线程可以交换彼此的数据。这个两个线程通过exchange方法交换数据，如果第一个线程先执行exchange方法，它会一直等待第二个线程也执行exchange，当两个线程都到达同步点时，这两个线程就可以交换数据，将本线程生产出来的数据传递给对方。因此使用Exchanger的中断时成对的线程使用exchange()方法，当有一对线程到达了同步点，就会进行交换数据，因此该工具类的线程对象是成对的。

线程可以在成对内配对和交换元素的同步点。每个线程在输入exchange方法时提供一些对象，与合作者线程匹配，并在返回时接收其合作伙伴的对象。交换器可以被视为一个的双向形式的SynchroniuzedQueue。交换器在诸如遗传算法和管道设计的应用中可能是有用的。

一个用于两个工作线程之间交换数据的封装工具类，简单说就是一个线程在完成一定事务后想与另一个线程交换数据，则第一个先拿出数据的线程会一直等待第二个线程，直到第二个线程拿着数据到来时才能彼此交换对应数据。

Exchanger 用法

Exchanger 泛型类型，其中V表示可交换的数据类型
V exchanger(V v)：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该线程，并接收该线程的对象。
V exchanger(V v, 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超出类指定的等待时间)，然后将给定的对象传送给该线程，并接收该线程的对象。

应用场景

Exchanger可以用于遗传算法，遗传算法里需要选出两个人作为交配对象，这时候会交换两人的数据，并使用交叉规则得出2个交配结果。

Exchanger也可以用于校对工作。比如我们需要将纸制银流通过人工的方式录入成电子银行流水，为了避免错误，采用AB岗两人进行录入，录入到Excel之后，系统需要加载这两个Excel，并对这两个Excel数据进行校对，看看是否录入的一致

Exchanger的典型应用场景是：一个任务在创建对象，而这些对象的生产代价很高，另一个任务在消费这些对象。通过这种方式，可以有更多的对象在被创建的同时被消费。

案例说明

Exchanger 用于两个线程间交换数据，当然实际参与的线程可以不止两个，测试用例如下：

private static void test1() throws InterruptedException { 
        Exchanger exchanger = new Exchanger<>(); 
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(5); 
 
        for (int i = 0; i < 5; i++) { 
            new Thread(() ->  { 
 
                try { 
                    String origMsg = RandomStringUtils.randomNumeric(6); 
 
                    // 先到达的线程会在此等待，直到有一个线程跟它交换数据或者等待超时 
                    String exchangeMsg = exchanger.exchange(origMsg,5, TimeUnit.SECONDS); 
 
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t origMsg:" + origMsg + "\t exchangeMsg:" + exchangeMsg); 
                } catch (InterruptedException e) { 
                    e.printStackTrace(); 
                } catch (TimeoutException e) { 
                    e.printStackTrace(); 
                }finally { 
                    countDownLatch.countDown(); 
                } 
 
            },String.valueOf(i)).start(); 
        } 
 
        countDownLatch.await(); 
    }

第5个线程因为没有匹配的线程而等待超时，输出如下：

0  origMsg:524053  exchangeMsg:098544 
3  origMsg:433246  exchangeMsg:956604 
4  origMsg:098544  exchangeMsg:524053 
1  origMsg:956604  exchangeMsg:433246 
java.util.concurrent.TimeoutException 
 at java.util.concurrent.Exchanger.exchange(Exchanger.java:626) 
 at com.nuih.juc.ExchangerDemo.lambda$test1$0(ExchangerDemo.java:37) 
 at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

上述测试用例是比较简单，可以模拟消息消费的场景来观察Exchanger的行为，测试用例如下：

private static void test2() throws InterruptedException { 
        Exchanger exchanger = new Exchanger<>(); 
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(4); 
        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(4); 
 
        // 生产者 
        Runnable producer = new Runnable() { 
            @Override 
            public void run() { 
                try{ 
                    cyclicBarrier.await(); 
 
                    for (int i = 0; i < 5; i++) { 
                        String msg = RandomStringUtils.randomNumeric(6); 
                        exchanger.exchange(msg,5,TimeUnit.SECONDS); 
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t producer msg -> " + msg + " ,\t i -> " + i); 
                    } 
 
                }catch (Exception e){ 
                    e.printStackTrace(); 
                }finally { 
                    countDownLatch.countDown(); 
                } 
            } 
        }; 
 
        // 消费者 
        Runnable consumer = new Runnable() { 
            @Override 
            public void run() { 
                try{ 
                    cyclicBarrier.await(); 
                    for (int i = 0; i < 5; i++) { 
                        String msg = exchanger.exchange(null,5,TimeUnit.SECONDS); 
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t consumer msg -> " + msg + ",\t" + i); 
                    } 
 
                }catch (Exception e){ 
                    e.printStackTrace(); 
                }finally { 
                    countDownLatch.countDown(); 
                } 
            } 
        }; 
 
        for (int i = 0; i < 2; i++){ 
            new Thread(producer).start(); 
            new Thread(consumer).start(); 
        } 
 
        countDownLatch.await(); 
    }

输出如下，上面生产者和消费者线程数是一样的，循环次数也是一样的，但是还是出现等待超时的情形：

Thread-3  consumer msg -> null, 0 
Thread-1  consumer msg -> null, 0 
Thread-1  consumer msg -> null, 1 
Thread-2  producer msg -> 640010 ,  i -> 0 
Thread-2  producer msg -> 733133 ,  i -> 1 
Thread-3  consumer msg -> null, 1 
Thread-3  consumer msg -> 476520, 2 
Thread-1  consumer msg -> 640010, 2 
Thread-1  consumer msg -> null, 3 
Thread-0  producer msg -> 993414 ,  i -> 0 
Thread-0  producer msg -> 292745 ,  i -> 1 
Thread-2  producer msg -> 476520 ,  i -> 2 
Thread-2  producer msg -> 408446 ,  i -> 3 
Thread-3  consumer msg -> null, 3 
Thread-1  consumer msg -> 292745, 4 
Thread-2  producer msg -> 251971 ,  i -> 4 
Thread-0  producer msg -> 078939 ,  i -> 2 
Thread-3  consumer msg -> 251971, 4 
java.util.concurrent.TimeoutException 
 at java.util.concurrent.Exchanger.exchange(Exchanger.java:626) 
 at com.nuih.juc.ExchangerDemo$1.run(ExchangerDemo.java:70) 
 at java.lang.Thread.run(Thread.java:748) 
 
Process finished with exit code 0

这种等待超时是概率出现的，这是为啥?

因为系统调度的不均衡和Exchanger底层的大量自旋等待导致这4个线程并不是调用exchanger成功的次数并不一致。另外从输出可以看出，消费者线程并没有像我们想的那样跟生产者线程一一匹配，生产者线程有时也充当来消费者线程，这是为啥?因为Exchanger匹配时完全不关注这个线程的角色，两个线程之间的匹配完全由调度决定的，即CPU同时执行来或者紧挨着执行来两个线程，这两个线程就匹配成功来。

源码分析

Exchanger 类图

其内部主要变量和方法如下：

成员属性

// ThreadLocal变量，每个线程都有之间的一个副本 
private final Participant participant; 
// 高并发下使用的，保存待匹配的Node实例 
private volatile Node[] arena; 
// 低并发下，arena未初始化时使用的保存待匹配的Node实例 
private volatile Node slot; 
// 初始值为0，当创建arena后被负责SEQ，用来记录arena数组的可用最大索引， 
// 会随着并发的增大而增大直到等于最大值FULL， 
// 会随着并行的线程逐一匹配成功而减少恢复成初始值 
private volatile int bound;

还有多个表示字段偏移量的静态属性，通过static代码块初始化，如下：

// Unsafe mechanics 
private static final sun.misc.Unsafe U; 
private static final long BOUND; 
private static final long SLOT; 
private static final long MATCH; 
private static final long BLOCKER; 
private static final int ABASE; 
static { 
    int s; 
    try { 
        U = sun.misc.Unsafe.getUnsafe(); 
        Class ek = Exchanger.class; 
        Class nk = Node.class; 
        Class ak = Node[].class; 
        Class tk = Thread.class; 
        BOUND = U.objectFieldOffset 
            (ek.getDeclaredField("bound")); 
        SLOT = U.objectFieldOffset 
            (ek.getDeclaredField("slot")); 
        MATCH = U.objectFieldOffset 
            (nk.getDeclaredField("match")); 
        BLOCKER = U.objectFieldOffset 
            (tk.getDeclaredField("parkBlocker")); 
        s = U.arrayIndexScale(ak); 
        // ABASE absorbs padding in front of element 0 
        ABASE = U.arrayBaseOffset(ak) + (1 << ASHIFT); 
 
    } catch (Exception e) { 
        throw new Error(e); 
    } 
    if ((s & (s-1)) != 0 || s > (1 << ASHIFT)) 
        throw new Error("Unsupported array scale"); 
}

Exchanger 定义来多个静态变量，如下：

// 初始化arena时使用， 1 << ASHIFT 是一个缓存行的大小，避免来不同的Node落入到同一个高速缓存行 
// 这里实际是把数组容量扩大来8倍，原来索引相邻的两个元素，扩容后中间隔来7个元素，从元素的起始地址上看就隔来8个元素，中间的7个都是空的，为来避免原来相邻的两个元素都落入到同一个缓存行中 
// 因为arena是对象数组，一个元素占8字节，8个就是64字节 
private static final int ASHIFT = 7; 
// arena 数组元素的索引最大值即255 
private static final int MMASK = 0xff; 
// arena 数组的最大长度即256 
private static final int SEQ = MMASK + 1; 
// 获取CPU核数 
private static final int NCPU = Runtime.getRuntime().availableProcessors(); 
// 实际的数组长度，因为是线程两两配对的，所以最大长度是核数除以2 
static final int FULL = (NCPU >= (MMASK << 1)) ? MMASK : NCPU >>> 1; 
// 自旋等待的次数 
private static final int SPINS = 1 << 10; 
// 如果交换的对象是null，则返回此对象 
private static final Object NULL_ITEM = new Object(); 
// 如果等待超时导致交换失败，则返回此对象 
private static final Object TIMED_OUT = new Object();

内部类

Exchanger类中有两个内部类，一个Node，一个Participant。 Participant继承了ThreadLocal并且重写了其initialValue方法，返回一个Node对象。其定义如下：

@sun.misc.Contended static final class Node { 
    int index;              // Arena index 
    int bound;              // Last recorded value of Exchanger.bound 
    int collides;           // Number of CAS failures at current bound 
    int hash;               // Pseudo-random for spins 
    Object item;            // This thread's current item 
    volatile Object match;  // Item provided by releasing thread 
    volatile Thread parked; // Set to this thread when parked, else null 
} 
 
 
static final class Participant extends ThreadLocal { 
    public Node initialValue() { return new Node(); } 
}

其中Contended注解是为了避免高速缓存行导致的伪共享问题

index用来记录arena数组的索引
bound用于记录上一次的Exchanger bound属性
collides用于记录在bound不变的情况下CAS抢占失败的次数
hash是自旋等待时计算随机数使用的
item表示当前线程请求交换的对象
match是同其它线程交换的结果，match不为null表示交换成功
parked为跟该Node关联的处于休眠状态的线程。

重要方法

exchange()方法

@SuppressWarnings("unchecked") 
public V exchange(V x) throws InterruptedException { 
    Object v; 
    Object item = (x == null) ? NULL_ITEM : x; // translate null args 
    if ((arena != null || // 是null就执行后面的方法 
         (v = slotExchange(item, false, 0L)) == null) && 
        // 如果执行slotExchange有结果就执行后面的，否则返回 
        ((Thread.interrupted() || // 非中断则执行后面的方法 
          (v = arenaExchange(item, false, 0L)) == null))) 
        throw new InterruptedException(); 
    return (v == NULL_ITEM) ? null : (V)v; 
}

exchange 方法的执行步骤：

如果执行 soltExchange 有结果就执行后面的 arenaExchange;
如果 slot 被占用，就执行 arenaExchange;
返回的数据 v 是对方线程的数据项;
总结即：如果A线程先调用，那么A的数据项存储的 item中，则B线程的数据项存储在 math 中;
当没有多线程并发操作 Exchange 的时候，使用 slotExchange 就足够了，slot 是一个 node 对象;
当出现并发了，一个 slot 就不够了，就需要使用一个 node 数组 arena 操作了。

slotExchange()方法

slotExchange 是基于slot属性来完成交换的，调用soltExchange方法时，如果slot属性为null，当前线程会将slot属性由null修改成当前线程的Node，如果修改失败则下一次for循环走solt属性不为null的逻辑，如果修改成功则自旋等待，自旋一定次数后通过Unsafe的park方法当当前线程休眠，可以指定休眠的时间，如果没有指定则无限期休眠直到被唤醒;无论是因为线程中断被唤醒，等待超时被唤醒还是其它线程unpark唤醒的，都会检查当前线程的Node的属性释放为null，如果不为null说明交互成功，返回该对象;否则返回null或者TIME_OUT,在返回前会将item，match等属性置为null，保存之前自旋时计算的hash值，方便下一次调用slotExchange。

调用slotExchange方法时，如果slot属性不为null，则当前线程会尝试将其修改null，如果cas修改成功，表示当前线程与slot属性对应的线程匹配成功，会获取slot属性对应Node的item属性，将当前线程交换的对象保存到slot属性对应的Node的match属性，然后唤醒获取slot属性对应Node的waiter属性，即处理休眠状态的线程，至此交换完成，同样的在返回前需要将item，match等属性置为null，保存之前自旋时计算的hash置，方便下一次调用slotExchange;如果cas修改slot属性失败，说明有其它线程也在抢占slot，则初始化arena属性，下一次for循环因为arena属性不为null，直接返回null，从而通过arenaExchange完成交换。

// arena 为null是会调用此方法，返回null表示交换失败 
// item是交换的对象，timed表示是否等待指定的时间，为false表示无限期等待，ns为等待时间 
private final Object slotExchange(Object item, boolean timed, long ns) { 
    // 获取当前线程关联的participant Node 
    Node p = participant.get(); 
    Thread t = Thread.currentThread(); 
    // 被中断，返回null 
    if (t.isInterrupted()) // preserve interrupt status so caller can recheck 
        return null; 
     
    for (Node q;;) { 
        if ((q = slot) != null) { // slot 不为null 
            // 将slot置为null，slot对应的线程与当前线程匹配成功 
            if (U.compareAndSwapObject(this, SLOT, q, null)) { 
                Object v = q.item; 
                // 保存item，即完成交互 
                q.match = item; 
                // 唤醒q对应的处于休眠状态的线程 
                Thread w = q.parked; 
                if (w != null) 
                    U.unpark(w); 
                return v; 
            } 
            // slot修改失败，其它某个线程抢占来该slot，多个线程同时调用exchange方法会触发此逻辑 
            // bound等于0表示未初始化，此处校验避免重复初始化 
            if (NCPU > 1 && bound == 0 && 
                U.compareAndSwapInt(this, BOUND, 0, SEQ)) 
                arena = new Node[(FULL + 2) << ASHIFT]; 
        } 
        else if (arena != null) 
            return null; // carena不为null，通过arenaExchange交互 
        else { 
            // slot和arena都为null 
            p.item = item; 
            // 修改slot为p，修改成功则终止循环 
            if (U.compareAndSwapObject(this, SLOT, null, p)) 
                break; 
            // 修改失败则继续for循环，将otem恢复成null 
            p.item = null; 
        } 
    } 
 
    // 将slot修改为p后会进入此分支 
    int h = p.hash; // hash初始为0 
    long end = timed ? System.nanoTime() + ns : 0L; 
    int spins = (NCPU > 1) ? SPINS : 1; 
    Object v; 
    // match保存着同其他线程交换的对象，如果不为null，说明交换成功了 
    while ((v = p.match) == null) { 
        // 执行自旋等待 
        if (spins > 0) { 
        h ^= h << 1; h ^= h >>> 3; h ^= h << 10; 
        if (h == 0) 
            h = SPINS | (int)t.getId(); 初始化h 
        // 只有生成的h小于0时才减少spins 
        else if (h < 0 && (--spins & ((SPINS >>> 1) - 1)) == 0) 
            Thread.yield(); 
        } 
        // slot被修改了，已经有匹配的线程，重新自旋，读取属性，因为是先修改slot再修改属性的，两者因为CPU调度的问题可能有时间差 
        else if (slot != p) 
            spins = SPINS; 
        // 线程没有被中断且arena为null 
        else if (!t.isInterrupted() && arena == null && 
                 (!timed || (ns = end - System.nanoTime()) > 0L)) { 
            U.putObject(t, BLOCKER, this); 
            p.parked = t; 
            if (slot == p) 
                U.park(false, ns); 
            // 线程被唤醒，继续下一次for循环 
            // 如果是因为等待超时而被唤醒，下次for循环进入下没的else if分支，返回TIMED_OUT 
            p.parked = null; 
                U.putObject(t, BLOCKER, null); 
        } 
        // 将slot修改成p 
        else if (U.compareAndSwapObject(this, SLOT, p, null)) { 
            // timed为flase，无限期等待，因为中断被唤醒返回null 
            // timed为ture，因为超时被唤醒，返回TIMED_OUT，因为中断被唤醒返回null 
            v = timed && ns <= 0L && !t.isInterrupted() ? TIMED_OUT : null; 
            break; 
        } 
    } 
    // 修改match为null，item为null，保存h，下一次exchange是h就不是初始值为0了 
    U.putOrderedObject(p, MATCH, null); 
    // 重置 item 
    p.item = null; 
    // 保留伪随机数,供下次种子数字 
    p.hash = h; 
    // 返回 
    return v; 
}

总结一下上面执行的逻辑：

Exchange 使用了对象池的技术，将对象保存在 ThreadLocal 中，这个对象(Node)封装了数据项，线程对象等关键数据;
第一个线程进入的时候，会将数据放到池化对象中，并赋值给 slot 的 item，并阻塞自己(通常不会立即阻塞，而是使用 yield 自旋一会儿)，等待对方取值;
当第二个线程进入的时候，会拿出存储在 slot item 中的值，然后对 slot 的 match 赋值，并唤醒上次阻塞的线程;
当第一个线程阻塞被唤醒后，说明对方取到值了，就获取 slot 的 match 值，并重置 slot 的数据和池化对象的数据，并返回自己的数据;
如果超时了，就返回 Time_out 对象;
如果线程中断了，就返回 null。

在该方法中，会返回 2 种结果，一是有效的 item，二是 null 要么是线程竞争使用 slot 了，创建了 arena 数组，要么是线程中断了。

通过一副图来看看具体逻辑

arenaExchange() 方法

arenaExchange是基于arena属性完成交换的，整体逻辑比较复杂，有以下几个要点：

m的初始值就是0，index的初始值也是0，两个都是大于等于0且i不大于m，当某个线程多次尝试抢占index对应数组元素的Node都失败的情形下则尝试将m加1，然后抢占m加1对应的新数组元素，将其由null修改成当前线程关联的Node，然后自旋等待匹配;如果自旋结束，没有匹配的线程，则将m加1对应的新数组元素重新置为null，将m减1，然后再次for循环抢占其他为null的数组元素。极端并发下m会一直增加直到达到最大值FULL为止，达到FULL后只能通过for循环不断尝试与其他线程匹配或者抢占为null的数组元素，然后随着并发减少，m会一直减少到0。通过这种动态调整m的方式可以避免过多的线程基于CAS修改同一个元素导致CAS失败，提高匹配的效率，这种思想跟LongAdder的实现是一致的。
只有当m等于0的时候才会通过Unsafe park方法让线程休眠，如果不等于0，即此时存在多个并行的等待匹配的线程，则主要通过自旋的方式等待其他线程到来，这是因为交换动作本身是很快的很短暂的，通过自旋等待就可以让多个等待的线程快速的完成匹配;只有当前只剩下一个线程的时候，此时m肯定等于0，短期内没有匹配的线程，才会考虑通过park方法阻塞。

// 抢占slot失败后进入此方法，arena不为空     
private final Object arenaExchange(Object item, boolean timed, long ns) { 
    Node[] a = arena; 
    Node p = participant.get(); 
    // index初始为0 
    for (int i = p.index;;) {                      // access slot at i 
        int b, m, c; long j;                       // j is raw array offset 
        // 在创建arena时，将本来的数组容量 << ASHIFT,为了避免数组元素落到了同一个高速缓存行 
        // 这里获取真实的数组元素索引时也需要 << ASHIFR 
        Node q = (Node)U.getObjectVolatile(a, j = (i << ASHIFT) + ABASE); 
        // 如果q不为null，则将对应的数组元素置为null，表示当前线程和该元素对应的线程匹配l 
        if (q != null && U.compareAndSwapObject(a, j, q, null)) { 
            Object v = q.item;                     // release 
            q.match = item; // 保存item，交互成功 
            Thread w = q.parked; 
            if (w != null) // 唤醒等待的线程 
                U.unpark(w); 
            return v; 
        } 
        // q为null 或者q不为null，cas抢占q失败了 
        // bound初始化时时SEQ，SEQ & MMASK 就是0，即m的初始值就0，m为0时，i肯定为0 
        else if (i <= (m = (b = bound) & MMASK) && q == null) { 
            p.item = item;                         // offer 
            if (U.compareAndSwapObject(a, j, null, p)) { 
                long end = (timed && m == 0) ? System.nanoTime() + ns : 0L; 
                Thread t = Thread.currentThread(); // wait 
                for (int h = p.hash, spins = SPINS;;) { 
                    Object v = p.match; 
                    if (v != null) { 
                        U.putOrderedObject(p, MATCH, null); 
                        p.item = null;             // clear for next use 
                        p.hash = h; 
                        return v; 
                    } 
                    else if (spins > 0) { 
                        h ^= h << 1; h ^= h >>> 3; h ^= h << 10; // xorshift 
                        if (h == 0)                // initialize hash 
                            h = SPINS | (int)t.getId(); 
                        else if (h < 0 &&          // approx 50% true 
                                 (--spins & ((SPINS >>> 1) - 1)) == 0) 
                            Thread.yield();        // two yields per wait 
                    } 
                    else if (U.getObjectVolatile(a, j) != p) 
                        spins = SPINS;       // releaser hasn't set match yet 
                    else if (!t.isInterrupted() && m == 0 && 
                             (!timed || 
                              (ns = end - System.nanoTime()) > 0L)) { 
                        U.putObject(t, BLOCKER, this); // emulate LockSupport 
                        p.parked = t;              // minimize window 
                        if (U.getObjectVolatile(a, j) == p) 
                            U.park(false, ns); 
                        p.parked = null; 
                        U.putObject(t, BLOCKER, null); 
                    } 
                    else if (U.getObjectVolatile(a, j) == p && 
                             U.compareAndSwapObject(a, j, p, null)) { 
                        if (m != 0)                // try to shrink 
                            U.compareAndSwapInt(this, BOUND, b, b + SEQ - 1); 
                        p.item = null; 
                        p.hash = h; 
                        i = p.index >>>= 1;        // descend 
                        if (Thread.interrupted()) 
                            return null; 
                        if (timed && m == 0 && ns <= 0L) 
                            return TIMED_OUT; 
                        break;                     // expired; restart 
                    } 
                } 
            } 
            else 
                p.item = null;                     // clear offer 
        } 
        else { 
            if (p.bound != b) {                    // stale; reset 
                p.bound = b; 
                p.collides = 0; 
                i = (i != m || m == 0) ? m : m - 1; 
            } 
            else if ((c = p.collides) < m || m == FULL || 
                     !U.compareAndSwapInt(this, BOUND, b, b + SEQ + 1)) { 
                p.collides = c + 1; 
                i = (i == 0) ? m : i - 1;          // cyclically traverse 
            } 
            else 
                i = m + 1;                         // grow 
            p.index = i; 
        } 
    } 
}