Java并发（六）：并发容器和框架

一. ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap是线程安全且高效的HashMap。

• HashMap线程不安全；
• HashTable使用synchronized保证线程安全，但是效率非常低下；
• ConcurrentHashMap使用锁分段技术提升并发访问率。

注意：
ConcurrentHashMap的线程安全指的是其内部的方法线程安全（如get、put等），即单独调用某个方法线程安全的。
当代码块包含多个操作时，此代码块并不是线程安全的，因为不能保证整个代码块是互斥执行的，因此仍然需要同步处理（加锁、double check等）。

1. ConcurrentHashMap的结构

JDK1.7版本

• HashMap由HashEntry数组组成，HashEntry是链表结构。

• ConcurrentHashMap由Segment数组组成，Segment由HashEntry数组组成，HashEntry是链表结构。

2. ConcurrentHashMap的初始化

ConcurrentHashMap初始化方法是通过initialCapacity、loadFactor和concurrencyLevel等几个参数来初始化segment数组、段偏移量segmentShift、段掩码segmentMask和每个segment里的HashEntry数组来实现的。

3. 定位Segment

ConcurrentHashMap使用分段锁Segment来保护不同段的数据，在插入和获取元素的时候，必须先通过散列算法定位到Segment。

散列算法的目的：是元素尽可能均匀的分布在不同的Segment上，从而提高容器的存取效率。

4. ConcurrentHashMap的操作

(1) get操作

1. 对key的hashCode进行一次再散列得到一个新的散列值；
2. 根据新的散列值，利用散列运算定位到Segment；
3. 再通过散列算法定位到元素；

整个get过程不需要加锁，除非读到的值为空才会加锁重读。

(2) put操作

1. 定位到Segment；
2. 判断是否需要对Segment

(3) size操作

尝试两次不锁住Segment直接统计各Segment大小的方法，如果两次结果不相同，则采用加锁的方式来统计所有Segment的大小。

二. ConcurrentLinkedQueue

ConcurrentLinkedQueue是一个基于链接节点的无界线程安全队列，采用FIFO的规则对节点进行排序。

队列前后分别用head节点和tail节点来定位，中间的节点通过next关联起来。

1. 入队列

入队列就是将入队节点添加到队列的尾部。

1. 将入队节点设置成当前队列尾节点的下一个节点；
2. 更新tail节点，如果tail节点的next节点不为空，则将入队节点设置为tail节点，如果tail节点的next节点为空，则将入队节点设置为tail节点的next节点。

因此：tail节点并不一定就是尾节点，尾节点可能是tail节点，也可能是tail节点的next节点。

2. 出队列

出队列就是从队列中返回一个节点元素，并清空该节点对元素的引用。

1. 获取head节点的元素，判断是否为空
2. 如果为空，表示另一个线程已经进行了一次出队列操作将该节点的元素取走，如果不为空，则使用CAS将head节点设置为null并返回head节点的元素。

三. 阻塞队列

阻塞队列的主要使用场景：生产者和消费者。

四种处理方式：

处理方式	抛出异常	返回特殊值	一直阻塞	超时退出
插入方法	add(e)	offer(e)	put(e)	offer(e,time,unit)
移除方法	remove()	poll()	take()	poll(time,unit)
检查方法	element()	peek()	不可用	不可用

• 抛出异常：队列满时，继续插入数据则抛出IllegalStateException；队列空时，从队列取数据则抛出NoSuchElementException。

• 返回特殊值：插入元素时，成功返回true；移除元素时，如果没有则返回null。

• 一直阻塞：队列满时，继续插入数据会一直阻塞生产者线程直到队列可用或响应中断退出；队列空时，从队列取数据会阻塞消费者线程直到队列不空。

• 超时退出：队列满时，继续插入数据会阻塞生产者线程一段时间，超过指定时间则退出。

1. Java里的阻塞队列

(1) ArrayBlockingQueue

用数组实现的有界阻塞队列，FIFO。

(2) LinkedBlockingQueue

用链表实现的有界阻塞队列，默认和最大长度为Integer.MAX_VALUE，FIFO。

(3) PriorityBlockingQueue

支持优先级的无界阻塞队列。

(4) DelayQueue

支持延时获取元素的无界阻塞队列，在创建元素时可指定延时，只有延迟期满才能从队列中提取元素。

(5) SynchronousQueue

不存储元素的阻塞队列，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。

(6) LinkedTransferQueue

由链表结构组成的无界阻塞TransferQueue队列，主要多了tryTransfer和transfer方法。

• transfer方法：如果当前有消费者正在等待接收元素，transfer方法可以把生产者传入的元素立刻传输给消费者；如果没有消费者在等待接收元素，transfer方法将元素存放在队列tail节点，并等到该元素被消费者消费了才返回。

• tryTransfer方法：如果当前有消费者正在等待接收元素，tryTransfer方法可以把生产者传入的元素立刻传输给消费者；如果没有消费者在等待接收元素，tryTransfer方法将元素存放在队列tail节点，并返回false。

(7) LinkedBlockingDeque

由链表结构组成的双向阻塞队列，可以从队列的两端插入和移除元素。

2. 阻塞队列的实现原理

使用等待 / 通知模式实现。

public class ArrayBlockingQueue extends AbstractQueue
        implements BlockingQueue, java.io.Serializable {

    private final Condition notEmpty;
    private final Condition notFull;

    public void put(E e) throws InterruptedException {
        checkNotNull(e);
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == items.length)
                notFull.await();
            enqueue(e);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    private void enqueue(E x) {
        final Object[] items = this.items;
        items[putIndex] = x;
        if (++putIndex == items.length)
            putIndex = 0;
        count++;
        notEmpty.signal();
    }

    public E take() throws InterruptedException {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == 0)
                notEmpty.await();
            return dequeue();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    private E dequeue() {
        final Object[] items = this.items;
        @SuppressWarnings("unchecked")
        E x = (E) items[takeIndex];
        items[takeIndex] = null;
        if (++takeIndex == items.length)
            takeIndex = 0;
        count--;
        if (itrs != null)
            itrs.elementDequeued();
        notFull.signal();
        return x;
    }
}

• 当生产者往满的队列中添加元素时会阻塞生产者（await），当消费者消费了一个队列中的元素后，会通知生产者当前队列可用（signal）。

• 当消费者从空的队列中取元素时会阻塞消费者（await），当生产者添加了一个元素后，会通知消费者当前队列可用（signal）。

四. Fork/Join 框架

Fork/Join 框架是Java 7 提供的一个用于并行执行任务的框架，把大任务分割成若干个小任务，最终汇总每个小任务结果后得到大任务结果。

1. 分割任务；
2. 执行任务并合并结果。