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14个Java并发容器,你用过几个?

作者:acupt

前言

不考虑多线程并发的情况下,容器类一般使用ArrayList、HashMap等线程不安全的类,效率更高。在并发场景下,常会用到ConcurrentHashMap、ArrayBlockingQueue等线程安全的容器类,虽然牺牲了一些效率,但却得到了安全。
上面提到的线程安全容器都在java.util.concurrent包下,这个包下并发容器不少,今天全部翻出来鼓捣一下。
仅做简单介绍,后续再分别深入探索。

并发容器介绍

  1. ConcurrentHashMap:并发版HashMap
  2. CopyOnWriteArrayList:并发版ArrayList
  3. CopyOnWriteArraySet:并发Set
  4. ConcurrentLinkedQueue:并发队列(基于链表)
  5. ConcurrentLinkedDeque:并发队列(基于双向链表)
  6. ConcurrentSkipListMap:基于跳表的并发Map
  7. ConcurrentSkipListSet:基于跳表的并发Set
  8. ArrayBlockingQueue:阻塞队列(基于数组)
  9. LinkedBlockingQueue:阻塞队列(基于链表)
  10. LinkedBlockingDeque:阻塞队列(基于双向链表)
  11. PriorityBlockingQueue:线程安全的优先队列
  12. SynchronousQueue:读写成对的队列
  13. LinkedTransferQueue:基于链表的数据交换队列
  14. DelayQueue:延时队列

1.ConcurrentHashMap 并发版HashMap

最常见的并发容器之一,可以用作并发场景下的缓存。底层依然是哈希表,但在JAVA 8中有了不小的改变,而JAVA 7和JAVA 8都是用的比较多的版本,因此经常会将这两个版本的实现方式做一些比较(比如面试中)。
一个比较大的差异就是,JAVA 7中采用分段锁来减少锁的竞争,JAVA 8中放弃了分段锁,采用CAS(一种乐观锁),同时为了防止哈希冲突严重时退化成链表(冲突时会在该位置生成一个链表,哈希值相同的对象就链在一起),会在链表长度达到阈值(8)后转换成红黑树(比起链表,树的查询效率更稳定)。

2.CopyOnWriteArrayList 并发版ArrayList

并发版ArrayList,底层结构也是数组,和ArrayList不同之处在于:当新增和删除元素时会创建一个新的数组,在新的数组中增加或者排除指定对象,最后用新增数组替换原来的数组。
适用场景:由于读操作不加锁,写(增、删、改)操作加锁,因此适用于读多写少的场景。
局限:由于读的时候不会加锁(读的效率高,就和普通ArrayList一样),读取的当前副本,因此可能读取到脏数据。如果介意,建议不用。
看看源码感受下:
public class CopyOnWriteArrayList<E>
    implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
    final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private transient volatile Object[] array;
    // 添加元素,有锁
    public boolean add(E e) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock(); // 修改时加锁,保证并发安全
        try {
            Object[] elements = getArray(); // 当前数组
            int len = elements.length;
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); // 创建一个新数组,比老的大一个空间
            newElements[len] = e; // 要添加的元素放进新数组
            setArray(newElements); // 用新数组替换原来的数组
            return true;
        } finally {
            lock.unlock(); // 解锁
        }
    }
    // 读元素,不加锁,因此可能读取到旧数据
    public E get(int index) {
        return get(getArray(), index);
    }
}

复制代码

3.CopyOnWriteArraySet 并发Set

基于CopyOnWriteArrayList实现(内含一个CopyOnWriteArrayList成员变量),也就是说底层是一个数组,意味着每次add都要遍历整个集合才能知道是否存在,不存在时需要插入(加锁)。
适用场景:在CopyOnWriteArrayList适用场景下加一个,集合别太大(全部遍历伤不起)。

4.ConcurrentLinkedQueue 并发队列(基于链表)

基于链表实现的并发队列,使用乐观锁(CAS)保证线程安全。因为数据结构是链表,所以理论上是没有队列大小限制的,也就是说添加数据一定能成功。

5.ConcurrentLinkedDeque 并发队列(基于双向链表)

基于双向链表实现的并发队列,可以分别对头尾进行操作,因此除了先进先出(FIFO),也可以先进后出(FILO),当然先进后出的话应该叫它栈了。

6.ConcurrentSkipListMap 基于跳表的并发Map

SkipList即跳表,跳表是一种空间换时间的数据结构,通过冗余数据,将链表一层一层索引,达到类似二分查找的效果

7.ConcurrentSkipListSet 基于跳表的并发Set

类似HashSet和HashMap的关系,ConcurrentSkipListSet里面就是一个ConcurrentSkipListMap,就不细说了。

8.ArrayBlockingQueue 阻塞队列(基于数组)

基于数组实现的可阻塞队列,构造时必须制定数组大小,往里面放东西时如果数组满了便会阻塞直到有位置(也支持直接返回和超时等待),通过一个锁ReentrantLock保证线程安全。
用offer操作举个例子:
public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
        implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
    /**
     * 读写共用此锁,线程间通过下面两个Condition通信
     * 这两个Condition和lock有紧密联系(就是lock的方法生成的)
     * 类似Object的wait/notify
     */
    final ReentrantLock lock;
    /** 队列不为空的信号,取数据的线程需要关注 */
    private final Condition notEmpty;
    /** 队列没满的信号,写数据的线程需要关注 */
    private final Condition notFull;
    // 一直阻塞直到有东西可以拿出来
    public E take() throws InterruptedException {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == 0)
                notEmpty.await();
            return dequeue();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    // 在尾部插入一个元素,队列已满时等待指定时间,如果还是不能插入则返回
    public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException {
        checkNotNull(e);
        long nanos = unit.toNanos(timeout);
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly(); // 锁住
        try {
            // 循环等待直到队列有空闲
            while (count == items.length) {
                if (nanos <= 0)
                    return false;// 等待超时,返回
                // 暂时放出锁,等待一段时间(可能被提前唤醒并抢到锁,所以需要循环判断条件)
                // 这段时间可能其他线程取走了元素,这样就有机会插入了
                nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
            }
            enqueue(e);//插入一个元素
            return true;
        } finally {
            lock.unlock(); //解锁
        }
    }

复制代码
乍一看会有点疑惑,读和写都是同一个锁,那要是空的时候正好一个读线程来了不会一直阻塞吗?
答案就在notEmpty、notFull里,这两个出自lock的小东西让锁有了类似synchronized + wait + notify的功能。

9.LinkedBlockingQueue 阻塞队列(基于链表)

基于链表实现的阻塞队列,想比与不阻塞的ConcurrentLinkedQueue,它多了一个容量限制,如果不设置默认为int最大值。

10.LinkedBlockingDeque 阻塞队列(基于双向链表)

类似LinkedBlockingQueue,但提供了双向链表特有的操作。

11.PriorityBlockingQueue 线程安全的优先队列

构造时可以传入一个比较器,可以看做放进去的元素会被排序,然后读取的时候按顺序消费。某些低优先级的元素可能长期无法被消费,因为不断有更高优先级的元素进来。

12.SynchronousQueue 数据同步交换的队列

一个虚假的队列,因为它实际上没有真正用于存储元素的空间,每个插入操作都必须有对应的取出操作,没取出时无法继续放入。
一个简单的例子感受一下:
import java.util.concurrent.*;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        SynchronousQueue<Integer> queue = new SynchronousQueue<>();
        new Thread(() -> {
            try {
                // 没有休息,疯狂写入
                for (int i = 0; ; i++) {
                    System.out.println("放入: " + i);
                    queue.put(i);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
        new Thread(() -> {
            try {
                // 咸鱼模式取数据
                while (true) {
                    System.out.println("取出: " + queue.take());
                    Thread.sleep((long) (Math.random() * 2000));
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
    }
}
/* 输出:
放入: 0
取出: 0
放入: 1
取出: 1
放入: 2
取出: 2
放入: 3
取出: 3
*/

复制代码
可以看到,写入的线程没有任何sleep,可以说是全力往队列放东西,而读取的线程又很不积极,读一个又sleep一会。输出的结果却是读写操作成对出现。
JAVA中一个使用场景就是Executors.newCachedThreadPool(),创建一个缓存线程池。
public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
    return new ThreadPoolExecutor(
        0, // 核心线程为0,没用的线程都被无情抛弃
        Integer.MAX_VALUE, // 最大线程数理论上是无限了,还没到这个值机器资源就被掏空了
        60L, TimeUnit.SECONDS, // 闲置线程60秒后销毁
        new SynchronousQueue<Runnable>()); // offer时如果没有空闲线程取出任务,则会失败,线程池就会新建一个线程
}

复制代码

13.LinkedTransferQueue 基于链表的数据交换队列

实现了接口TransferQueue,通过transfer方法放入元素时,如果发现有线程在阻塞在取元素,会直接把这个元素给等待线程。如果没有人等着消费,那么会把这个元素放到队列尾部,并且此方法阻塞直到有人读取这个元素。和SynchronousQueue有点像,但比它更强大。

14.DelayQueue 延时队列

可以使放入队列的元素在指定的延时后才被消费者取出,元素需要实现Delayed接口。

总结

上面简单介绍了JAVA并发包下的一些容器类,知道有这些东西,遇到合适的场景时就能想起有个现成的东西可以用了。想要知其所以然,后续还得再深入探索一番。

最后

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