java高并发6.5 并发容器

Java并发容器

概述

• ArrayList –> CopyOnWriteArrayList

• HashSet –> CopyOnWriteArraySet

• TreeSet –> ConcurrentSkipListSet

• HashMap –> ConcurrentHashMap 

• TreeMap –> ConcurrentSkipListMap

安全共享对象策略

Java并发容器JUC是三个单词的缩写。是JDK下面的一个包名。即Java.util.concurrency。

上一节我们介绍了ArrayList、HashMap、HashSet对应的同步容器保证其线程安全，这节我们介绍一下其对应的并发容器。

 

同步容器：可以简单地理解为通过synchronized来实现同步的容器，如果有多个线程调用同步容器的方法，它们将会串行执行。比如Vector，Hashtable，以及Collections.synchronizedSet，synchronizedList等方法返回的容器。

    可以通过查看Vector，Hashtable等这些同步容器的实现代码，可以看到这些容器实现线程安全的方式就是将它们的状态封装起来，并在需要同步的方法上加上关键字synchronized。但在某些情况下，我们需要实现额外的复合操作，比如获取最后一个元素或者删除最后一个元素：

同步容器会导致多个线程中对容器方法调用的串行执行，降低并发性，因为它们都是以容器自身对象为锁，所以在需要支持并发的环境中，可以考虑使用并发容器来替代。

 

并发容器：并发容器是针对多个线程并发访问设计的，在jdk5.0引入了concurrent包，其中提供了很多并发容器，如ConcurrentHashMap，CopyOnWriteArrayList等。并发容器使用了与同步容器完全不同的加锁策略来提供更高的并发性和伸缩性，例如在ConcurrentHashMap中采用了一种粒度更细的加锁机制，可以称为分段锁，在这种锁机制下，允许任意数量的读线程并发地访问map，并且执行读操作的线程和写操作的线程也可以并发的访问map，同时允许一定数量的写操作线程并发地修改map，所以它可以在并发环境下实现更高的吞吐量。

    另外并发容器提供了一些在使用同步容器时需要自己实现的复合操作，包括putIfAbsent等，但是由于并发容器不能通过加锁来独占访问，所以我们无法通过加锁来实现复合操作了。

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ArrayList –> CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList 写操作时复制，当有新元素添加到集合中时，从原有的数组中拷贝一份出来，然后在新的数组上作写操作，将原来的数组指向新的数组。整个数组的add操作都是在锁的保护下进行的，防止并发时复制多份副本。读操作是在原数组中进行，不需要加锁

(写操作加锁, 读操作不加锁)

缺点：

1.写操作时复制消耗内存，如果元素比较多时候，容易导致young gc 和full gc。

2.不能用于实时读的场景.由于复制和add操作等需要时间，故读取时可能读到旧值。

能做到最终一致性，但无法满足实时性的要求，更适合读多写少的场景。

如果无法知道数组有多大，或者add,set操作有多少，慎用此类,在大量的复制副本的过程中很容易出错。

 

设计思想：

1.读写分离

2.最终一致性

3.使用时另外开辟空间，防止并发冲突

例子:

 

输出结果:

size = 5000      是线程安全的

源码:

写方法使用重入锁，保证线程安全

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HashSet –> CopyOnWriteArraySet

• 它是线程安全的，底层实现使用的是CopyOnWriteArrayList，因此它也适用于大小很小的set集合，只读操作远大于可变操作。因为他需要copy整个数组，所以包括add、remove、set它的开销相对于大一些。

• 迭代器不支持可变的remove操作。使用迭代器遍历的时候速度很快，而且不会与其他线程发生冲突。

例子

 

其他都不变

输出结果:

size = 5000      是线程安全的

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TreeSet –> ConcurrentSkipListSet

它是JDK6新增的类，同TreeSet一样支持自然排序，并且可以在构造的时候自己定义比较器。

• 同其他set集合，是基于map集合的（基于ConcurrentSkipListMap），在多线程环境下，里面的contains、add、remove操作都是线程安全的。

• 多个线程可以安全的并发的执行插入、移除、和访问操作。但是对于批量操作addAll、removeAll、retainAll和containsAll并不能保证以原子方式执行，原因是addAll、removeAll、retainAll底层调用的还是contains、add、remove方法，只能保证每一次的执行是原子性的，代表在单一执行操纵时不会被打断，但是不能保证每一次批量操作都不会被打断。在使用批量操作时，还是需要手动加上同步操作的。

• 不允许使用null元素的，它无法可靠的将参数及返回值与不存在的元素区分开来

 

输出结果:

size = 5000      是线程安全的

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HashMap –> ConcurrentHashMap

• 不允许空值，在实际的应用中除了少数的插入操作和删除操作外，绝大多数我们使用map都是读取操作。而且读操作大多数都是成功的。基于这个前提，它针对读操作做了大量的优化。因此这个类在高并发环境下有特别好的表现。*

• ConcurrentHashMap作为Concurrent一族，其有着高效地并发操作，相比Hashtable的笨重，ConcurrentHashMap则更胜一筹了。

• 在1.8版本以前，ConcurrentHashMap采用分段锁的概念，使锁更加细化，但是1.8已经改变了这种思路，而是利用CAS+Synchronized来保证并发更新的安全，当然底层采用数组+链表+红黑树的存储结构。

后面有详细介绍

 

例子:

输出结果:

size = 5000      是线程安全的

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TreeMap –> ConcurrentSkipListMap

• 底层实现采用SkipList跳表

• 曾经有人用ConcurrentHashMap与ConcurrentSkipListMap做性能测试，在4个线程1.6W的数据条件下，前者的数据存取速度是后者的4倍左右。但是后者有几个前者不能比拟的优点：

                                                1、Key是有序的

                                                2、支持更高的并发，存储时间与线程数无关

 

在非多线程情况下建议使用TreeMap

 

输出结果:

size = 5000      是线程安全的

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七节以前的总结: 

安全共享对象策略*

• 线程限制：一个被线程限制的对象，由线程独占，并且只能被占有它的线程修改

• 共享只读：一个共享只读的对象，在没有额外同步的情况下，可以被多个线程并发访问，但是任何线程都不能修改它

• 线程安全对象：一个线程安全的对象或者容器，在内部通过同步机制来保障线程安全，多以其他线程无需额外的同步就可以通过公共接口随意访问他

• 被守护对象：被守护对象只能通过获取特定的锁来访问。