Java多线程技术之九（JUC之并发容器）

一、简介

java的集合框架中，容器主要分为List、Set、Queue、Map四大类，常用的容器ArrayList、LinkedList、HashSet、HashMap等都不是线程安全的，在多线程环境下使用这些容器需要我们进行同步处理。为了简化开发，Java提供了同步容器。

同步容器

简单地在在需要同步的方法上添加synchronized来实现同步的容器。主要的同步容器：

• Vector
• Stack
• Hashtable
• Collections.SynchronizedList()方法创建的List
• Collections.synchronizedSet()方法创建的Set
• Collections.synchronizedMap()方法创建的Map

同步容器的问题
同步容器都是以自身为锁，多个线程共同竞争容器的锁时，吞吐量降低。因此，在并发量比较高的场景，可以使用并发容器来替代。

并发容器

java.util.concurrent包中针对并发环境设计的容器。并发容器使用了写时复制、分段锁、CAS等技术，在并发环境下能提供更高的吞吐量。

二、并发容器结构图

并发容器结构图.png

三、并发List

CopyOnWriteArrayList

对应ArrayList，使用方法和ArrayList相同。内部实现基于写入时复制技术。

写入时复制（Copy-On-Write）

是计算机程序设计领域中的一种优化思想，是一种读写分离思想，在很多系统设计上都会用到，常用于读多写少的并发场景。Copy-On-Write的原理是，对于查询操作，不需要加锁，直接访问数据。对于写入（增删改）操作，需要对操作加互斥锁，保证只会有1个线程在操作。在操作数据前，先将数据复制一份副本，之后的操作是对副本进行的。操作完成后，将原数据的指针指向副本，完成了副本替换原数据。因此，写入操作的同时，读操作不会被阻塞，而是继续读取原数据。

Copy-On-Write存在的问题
内存占用：由于有复制操作存在，在写操作比较频繁或者数据比较大的场景，Copy-On-Write比较耗存。
数据一致性：写副本完成到原数据指针被替换之间，如果有读操作，则读到的是旧数据。Copy-On-Write只能保证数据的最终一致性，不能保证数据的实时一致性。

四、并发Set

CopyOnWriteArraySet

对应HashSet，使用方法和HashSet相同。内部实现基于CopyOnWriteArrayList。

ConcurrentSkipListSet

对应TreeSet，使用方法和TreeSet相同。内部实现基于ConcurrentSkipListMap。

五、并发Queue

Queue接口表示单向队列，单向队列只能在队列头部删除元素、在队列末尾添加元素。

Queue的核心方法：

• offer：将元素加入队列的末尾。
• poll: 将元素从队列的头部删除。
• peek：返回队列头部的元素，但不进行删除。

ConcurrentLinkedQueue

ConcurrentLinkedQueue类实现了Queue接口。表示基于链表的单向队列，它的实现使用了CAS无锁算法。

BlockingQueue接口

BlockingQueue接口扩展了Queue接口。表示阻塞单向队列。

阻塞队列和生产者-消费者模型
阻塞队列的工作模式是：当队列满时，队列会阻塞插入元素的线程，直到队列不满；当队列为空时，队列会阻塞获取元素的线程，直到队列不空。
阻塞队列常用于生产者-消费者模型，生产者向队列中添加元素，消费者则从队列中取出元素。线程池就是利用阻塞队列来实现任务的排队。

Queue的核心方法：

• put：将元素加入队列的末尾，如果队列已满，线程将被阻塞。
• take：将元素从队列的头部删除，如果队列为空，线程将被阻塞。

BlockingQueue的五个实现类

• LinkedBlockingQueue
  基于链表的阻塞队列，它的容量没有上限，可以指定其最大容量。

• ArrayBlockingQueue
  基于数组的阻塞循环队列，在构造时需要指定最大容量。

• PriorityBlockingQueue
  基于堆的阻塞优先级队列，它的容量没有上限。优先级队列的元素按优先级顺序出队，而不是先进先出。可以自定义compareTo()方法来指定元素的优先级排序规则。

• DelayQueue
  基于堆的阻塞时间调度队列，它的容量没有上限。此队列中的元素必须实现Delayed接口，在创建元素时可以指定延迟时间，只有在延迟时间满后，才能从队列中获取元素。队列头部是延迟时间满后保存时间最长的元素。如果延迟时间都还没满，则队列没有头部。此队列不允许使用null元素。DelayQueue多应用于定时任务调度等场景。

• SynchronousQueue
  不存储元素的阻塞队列。此队列每一个put操作必须等待一个take操作，否则不能继续添加元素，队列本身不存储元素，看起来像是一根管道，资源从一个方快速传递到另一方。还可以指定队列的公平性，默认非公平。公平的队列可保证线程以FIFO的顺序进行访问，但是公平通常会降低吞吐量。SynchronousQueue非常适合传递性场景，即把生产者线程处理的数据直接传递给消费者线程。

TransferQueue接口

TransferQueue接口扩展了BlockingQueue接口。它提供了线程之间直接交换对象的能力。TransferQueue是一个结合了ConcurrentLinkedQueue, SynchronousQueue(公平模式)和LinkedBlockingQueues特性的组合体，具有较高的性能，推荐使用。

TransferQueue的核心方法：

• tryTransfer(E e)
  若当前存在一个正在等待获取的消费者线程，则立刻移交元素e。否则，返回false。
• transfer(E e)
  若当前存在一个正在等待获取的消费者线程，则立刻移交元素e。否则，插入当前元素e到队列尾部，并且当前线程进入阻塞状态，直到有消费者线程取走该元素。
• hasWaitingConsumer()
  如果至少有一位消费者在等待，则返回true。
• getWaitingConsumerCount()
  返回等待的消费者数量的估计值。

LinkedTransferQueue

LinkedTransferQueue实现了TransferQueue接口。表示基于链表的阻塞队列，它的容量没有上限。当有消费者等待获取元素时，可以通过transfer()方法把生产者传入的元素立即传给消费者。

LinkedTransferQueue采用了一种预占模式。当消费者取元素时，如果队列为空，则生成一个元素为null的节点并入队，然后消费者等待在这个节点上。当生产者在插入元素时发现队列中有一个元素为null的节点，于是生产者就不入队了，直接将元素填充到该节点并唤醒在此节点等待的消费者，消费者醒来后取走元素。如果当前没有等待获取的消费者，则生产者在插入元素后会一直等待直到插入的元素被消费者取走。TransferQueue不会让生产者过度生产，生产者的生产速度取决于消费者的消费能力，因此不会造成OutOfMemory错误。

六、并发Deque

Deque扩展了Queue接口，表示双向队列，双向队列可以在首尾两端访问、插入或删除元素。当只从队列一端进行入队和出队时即为栈。

Deque作为单向队列：

• offer：将元素加入队列的末尾。
• poll:将元素从队列的头部删除。
• peek：返回队首的元素，但不进行删除。

Deque作为双向队列：

• offerFirst: 添加元素到头部。如果队列已满，则返回false。
• offerLast: 添加元素到尾部。如果队列已满，则返回false。
• pollFirst:将元素从队列的头部删除。
• pollLast:将元素从队列的末尾删除。
• peekFirst：返回队列头部的元素，但不进行删除。
• peekLast：返回队列末尾的元素，但不进行删除。

Deque作为栈：

• push:将元素入栈。
• pop:将元素出栈。
• peek:返回栈顶元素，但不进行删除。

ConcurrentLinkedDeque

ConcurrentLinkedDeque实现了Deque接口。表示基于链表的双向队列。使用了CAS的非阻塞算法来保证线程并发访问时的数据一致性。

BlockingDeque接口

BlockingDeque接口扩展了BlockingQueue接口。表示阻塞双向队列。

BlockingDeque的核心方法：

• putFirst: 添加元素到头部。如果队列已满，线程将被阻塞。
• putLast: 添加元素到尾部。如果队列已满，线程将被阻塞。
• takeFirst: 移除头部元素。如果队列为空，线程将被阻塞。
• takeLast: 移除尾部元素。如果队列为空，线程将被阻塞。

LinkedBlockingDeque

LinkedBlockingDeque实现了BlockingDeque接口。表示基于链表的双向阻塞队列。

七、并发Map

ConcurrentHashMap

对应HashMap，使用方法和HashMap相同。内部实现基于分段锁技术，JDK8中改为CAS无锁算法。

ConcurrentSkipListMap

对应TreeMap，使用方法和TreeMap相同。内部实现基于跳跃表（Skip-List）和CAS无锁算法。