聊聊并发编程——并发容器和阻塞队列

目录

一.ConcurrentHashMap

1.为什么要使用ConcurrentHashMap？

2.ConcurrentHashMap的类图

3.ConcurrentHashMap的结构图

二.阻塞队列

Java中的7个阻塞队列

ArrayBlockingQueue：一个由数组结构组成的有界阻塞队列。

LinkedBlockingQueue：一个由链表结构组成的有界阻塞队列。可以指定容量也可以无界。

PriorityBlockingQueue：一个支持优先级排序的无界阻塞队列。

DelayQueue：一个使用优先级队列实现的无界阻塞队列。 用于按照指定延迟时间对元素进行排序的阻塞队列。

SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列。常用于线程间的手递手传递。

LinkedBlockingDeque：一个由链表结构组成的双向阻塞队列。

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一.ConcurrentHashMap

1.为什么要使用ConcurrentHashMap？

• 不安全的HashMap

  Java 中的 HashMap 是非线程安全的，这意味着如果多个线程同时访问和修改同一个 HashMap 实例，可能会导致不一致的结果或抛出异常。以下是一个示例代码，展示了 HashMap 的线程不安全行为：

public static void main(String[] args) {
        // 创建一个 HashMap
        Map map = new HashMap<>();
        // 创建一个线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(2);
        // 向 HashMap 中添加键值对的任务
        Runnable task = () -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                map.put(i, "Value " + i);
            }
        };
        // 启动两个线程同时执行添加任务
        executorService.submit(task);
        executorService.submit(task);
        // 等待线程池执行完毕
        executorService.shutdown();
        // 等待一段时间以确保线程池完成
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        // 输出 HashMap 的大小
        System.out.println("HashMap size: " + map.size());
    }

在上述示例中，我们创建了一个包含两个线程的线程池，并让它们同时向同一个 HashMap 实例中添加键值对。由于 HashMap 不是线程安全的，这样的并发写入操作可能导致不一致的结果。在某些情况下，可能会抛出 ConcurrentModificationException 异常。

• 效率低下的HashTable

  HashTable容器使用synchronized来保证线程安全，但在线程竞争激烈的情况下HashTable 的效率非常低下。因为当一个线程访问HashTable的同步方法，其他线程也访问HashTable的同 步方法时，会进入阻塞或轮询状态。如线程1使用put进行元素添加，线程2不但不能使用put方 法添加元素，也不能使用get方法来获取元素，所以竞争越激烈效率越低。

• ConcurrentHashMap的锁分段技术可有效提升并发访问率

  HashTable容器在竞争激烈的并发环境下表现出效率低下的原因是所有访问HashTable的 线程都必须竞争同一把锁。

  ConcurrentHashMap所使用的锁分段技术。首先将数据分成一段一段地存 储，然后给每一段数据配一把锁，当一个线程占用锁访问其中一个段数据的时候，其他段的数据也能被其他线程访问。

2.ConcurrentHashMap的类图

3.ConcurrentHashMap的结构图

二.阻塞队列

阻塞队列（BlockingQueue）是一个支持两个附加操作的队列。这两个附加的操作支持阻塞的插入和移除方法。

• 支持阻塞的插入方法：当队列满时，会阻塞插入元素的线程，直到队列不满。

• 支持阻塞的移除方法：当队列为空时，获取元素的线程会等待队列变为非空。

阻塞队列常用于生产者和消费者场景。生产者就是添加元素的线程，消费者就是获取元素的线程，阻塞队列就是生产者存放元素、消费者获取元素的容器。插入和移除操作的4中处理方式：

方法/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：当队列满了，再插入元素时，会抛出IllegalStateException（“Queue full”）异常。当队列为空，再获取元素，会抛出NoSuchElementException异常。

• 返回特殊值：当队列插入元素时，会返回元素是否插入成功，成功返回true。如果是移除方法，则是从队列去除元素，如果不存在则返回null。

• 一直阻塞：当队列满时，往队列put元素，队列会一直阻塞添加元素的线程，知道队列可用或者响应中断退出。当队列为空时，如果从队列中take元素，队列会阻塞获取元素的线程，知道队列不为空。

• 超时退出：当队列满时，如果插入元素，队列会阻塞插入元素的线程一段时间，超过了指定时间，线程就会退出。

Java中的7个阻塞队列

如果是无界阻塞队列，队列不可能会出现满的情况，所以使用put或offer方法永 远不会被阻塞，而且使用offer方法时，该方法永远返回true。

• ArrayBlockingQueue：一个由数组结构组成的有界阻塞队列。

  public class ArrayBlockingQueueExample {
      public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
          ArrayBlockingQueue arrayBlockingQueue = new ArrayBlockingQueue(5);
  ​
          // 生产者
          Thread produce = new Thread(()->{
              try {
                  for (int i = 0; i < 10; i++) {
                      arrayBlockingQueue.put(i);
                      System.out.println("produced:" + i);
                  }
              } catch (InterruptedException e) {
                  e.printStackTrace();
              }
          });
  ​
          // 消费者
          Thread consume = new Thread(()->{
              try {
                  while (true) {
                      int i = arrayBlockingQueue.take();
                      System.out.println("consumed" + i);
                  }
              } catch (InterruptedException e) {
                  e.printStackTrace();
              }
          });
  ​
          produce.start();
          consume.start();
  ​
          Thread.sleep(2000);
          produce.interrupt();
          consume.interrupt();
      }
  }

• LinkedBlockingQueue：一个由链表结构组成的有界阻塞队列。可以指定容量也可以无界。

  public class LinkedBlockingQueueExample {
      public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
          LinkedBlockingQueue queue = new LinkedBlockingQueue(5);
  ​
          // 同上，创建生产者和消费者线程并启动
  ​
          // 主线程等待，中断生产者和消费者
          Thread.sleep(2000);
          produce.interrupt();
          consume.interrupt();
      }
  }

• PriorityBlockingQueue：一个支持优先级排序的无界阻塞队列。

  public class PriorityBlockingQueueExample {
      public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
          PriorityBlockingQueue queue = new PriorityBlockingQueue<>();
  ​
          // 同上，创建生产者和消费者线程并启动
  ​
          // 主线程等待，中断生产者和消费者
          Thread.sleep(2000);
          produce.interrupt();
          consume.interrupt();
      }
  }

• DelayQueue：一个使用优先级队列实现的无界阻塞队列。 用于按照指定延迟时间对元素进行排序的阻塞队列。

  public class DelayQueueExample {
      public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
          DelayQueue queue = new DelayQueue();
  ​
          // 创建消费者线程
          Thread consume = new Thread(() ->{
              try {
                  while (true) {
                      DelayedElement element = queue.take();
                      System.out.println("consume:" + element.getValue());
                  }
              } catch (InterruptedException e) {
                  e.printStackTrace();
              }
          });
          consume.start();
  ​
          // 生产者添加元素
          queue.put(new DelayedElement("value 5", 1, TimeUnit.SECONDS));
          queue.put(new DelayedElement("value 4", 2, TimeUnit.SECONDS));
          queue.put(new DelayedElement("value 3", 3, TimeUnit.SECONDS));
          queue.put(new DelayedElement("value 2", 4, TimeUnit.SECONDS));
          queue.put(new DelayedElement("value 1", 5, TimeUnit.SECONDS));
  ​
          Thread.sleep(10000);
  ​
          consume.interrupt();
      }
  ​
      static class DelayedElement implements Delayed {
          private String value;
          private long delayTime;
  ​
          public String getValue() {
              return value;
          }
  ​
          public DelayedElement(String value, long delayTime, TimeUnit timeUnit) {
              this.value = value;
              this.delayTime = System.currentTimeMillis() + timeUnit.toMillis(delayTime);
          }
  ​
          @Override
          public long getDelay(TimeUnit unit) {
              return delayTime - System.currentTimeMillis();
          }
  ​
          @Override
          public int compareTo(Delayed o) {
              return Long.compare(this.delayTime, ((DelayedElement) o).delayTime);
          }
      }
  }

• SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列。常用于线程间的手递手传递。

  public class SynchronousQueueExample {
      public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
          SynchronousQueue queue = new SynchronousQueue<>();
       
          // 同上，创建生产者和消费者线程并启动
  ​
          // 主线程等待，中断生产者和消费者
          Thread.sleep(2000);
          produce.interrupt();
          consume.interrupt();
      }
  }   

• LinkedTransferQueue：一个由链表结构组成的无界阻塞队列。

  public class LinkedTransferQueueExample {
      public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
          LinkedTransferQueue queue = new LinkedTransferQueue<>();
  ​
          // 同上，创建生产者和消费者线程并启动
  ​
          // 主线程等待，中断生产者和消费者
          Thread.sleep(2000);
          produce.interrupt();
          consume.interrupt();
      }
  }

• LinkedBlockingDeque：一个由链表结构组成的双向阻塞队列。

  public class LinkedBlockingDequeExample {
      public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
          LinkedBlockingDeque deque = new LinkedBlockingDeque<>();
  ​
          // 同上，创建生产者和消费者线程并启动
  ​
          // 主线程等待，中断生产者和消费者
          Thread.sleep(2000);
          produce.interrupt();
          consume.interrupt();
      }
  }