从零学Java 线程安全的集合

线程安全的集合

Collection体系集合、以及线程安全集合。

注：下划线代表线程安全集合

1 List 和 Set体系

Collections中的工具方法

Collections工具类中提供了多个可以获得线程安全集合的方法。

• public static Collection synchronizedCollection(Collection c)
• public static List synchronizedList(List list)
• public static Set synchronizedSet(Set s)
• public static Map synchronizedMap(Map m)
• public static SortedSet synchronizedSortedSet(SortedSet s)
• public static SortedMap synchronizedSortedMap(SortedMap m)

JDK1.2提供，接口统一、维护性高，但性能没有提升，均以synchonized实现。

1.1 CopyOnWriteArrayList

• 线程安全的ArrayList，加强版读写分离。
• 写有锁，读无锁，读写之间不阻塞，优于读写锁。
• 写入时，先copy一个容器副本、再添加新元素，最后替换引用。
• 使用方式与ArrayList无异。

1.2 CopyOnWriteArraySet

• 线程安全的Set，底层使用CopyOnWriteArrayList实现。
• 唯一不同在于，使用addIfAbsent()添加元素，会遍历数组
• 如存在元素，则不添加（扔掉副本）。

1.3 ConcurrentHashMap

JDK 1.7

• 初始容量默认为16段（Segment），使用分段锁设计。
• 不对整个Map加锁，而是为每个Segment加锁。
• 当多个对象存入同一个Segment时，才需要互斥。
• 最理想状态为16个对象分别存入16个Segment，并行数量16。
• 使用方式与HashMap无异。

JDK 1.8

• 改为CAS无锁算法。

eg:

public class TestThreadSafe {
    public static void main(String[] args) {
		//ArrayList list=new ArrayList<>();
        //CopyOnWriteArrayList list=new CopyOnWriteArrayList();
        //CopyOnWriteArraySet set=new CopyOnWriteArraySet();
        ConcurrentHashMap<String,String> hashMap=new ConcurrentHashMap<>();
        ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(10);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            es.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int j = 0; j < 10; j++) {
                        try {
                            Thread.sleep(100);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            throw new RuntimeException(e);
                        }
                        hashMap.put(Thread.currentThread().getName()+"..."+j,"xxx");
                    }
                }
            });
        }
        es.shutdown();
        while(!es.isTerminated());
        System.out.println("元素个数:"+hashMap.size());
    }
}

2 CAS算法

CAS：Compare And Swap（比较交换算法）

• 其实现方式是基于硬件平台的汇编指令，是靠硬件来实现的，效率高。
• 并且比较和交换过程是同步的。
• CAS是一种乐观锁。

乐观锁：

• 总是认为是线程安全，不怕别的线程修改变量，如果修改了再重新尝试，直到成功。
• CAS是乐观锁。

悲观锁：

• 总是认为线程不安全，不管什么情况都进行加锁，要是获取锁失败，就阻塞。
• synchronized、ReentrantLock是悲观锁。

CAS比较交换算法，修改的方法包含三个核心参数（V,E,N）

• V：要更新的变量、E：预期值、N：新值。
• 只有当V==E时，V=N；否则表示已被更新过，则取消当前操作，继续判断直到成功。

eg:

使用代码模拟CAS算法

public class TestCAS {
    public static void main(String[] args) {
        Cas cas=new Cas();
        ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(100);
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            es.submit(() -> {
                while(true) {
                    int old = cas.getV();
                    boolean b = cas.compareAndSwap(old, new Random().nextInt(100));
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"..."+b);
                    if(b){
                        break;
                    }
                }
            });
        }
        es.shutdown();
    }
    static class Cas{
        private int V;//更新的变量
        //获取V的值
        public int getV(){
            return V;
        }
        public synchronized boolean compareAndSwap(int E,int N){
            if(E==V){
                V=N;
                return true;
            }
            return false;
        }
    }
}

3 Queue接口（队列）

Collection的子接口，表示队列FIFO（First In First Out）

常用方法：

• 抛出异常：
  • boolean add(E e) //顺序添加一个元素（到达上限后，再添加则会抛出异常）
  • E remove() //获得第一个元素并移除（如果队列没有元素时，则抛异常）
  • E element() //获得第一个元素但不移除（如果队列没有元素时，则抛异常）
• 返回特殊值：推荐使用
  • boolean offer(E e) //顺序添加一个元素 （到达上限后，再添加则会返回false）
  • E poll() //获得第一个元素并移除 （如果队列没有元素时，则返回null）
  • E peek() //获得第一个元素但不移除 （如果队列没有元素时，则返回null）

3.1 ConcurrentLinkedQueue

线程安全、可高效读写的队列，高并发下性能最好的队列。

• 采用CAS比较交换算法

eg:

public class TestQueue {
    public static void main(String[] args) {
//        Queue queue=new LinkedList<>();
        Queue<String> queue=new ConcurrentLinkedQueue<>();
        //入队
//        queue.offer("aaa");
//        queue.offer("bbb");
//        queue.offer("ccc");
        ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(3);
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            es.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    queue.offer(Thread.currentThread().getName());
                }
            });
        }
        //出队
        es.shutdown();
        while(!es.isTerminated());
        int count=queue.size();
        for (int i = 0; i < count; i++) {
            System.out.println(queue.poll());
        }
    }
}

3.2 BlockingQueue接口（阻塞队列）

Queue的子接口，阻塞的队列，增加了两个线程状态为无限期等待的方法。

方法：

• void put(E e) //将指定元素插入此队列中，如果没有可用空间，则等待。
• E take() //获取并移除此队列头部元素，如果没有可用元素，则等待。
• 可用于解决生产者、消费者问题。

实现类:

• ArrayBlockingQueue：数组结构实现，有界队列。（手工固定上限）
• LinkedBlockingQueue：链表结构实现，有界队列。（默认上限Integer.MAX_VALUE）

eg:

package StageOne.day21.demo02;

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;

/**
 * @author 胡昊龙
 * @version 1.0
 * @description: TODO
 * @date 2024/1/16 14:32
 */
public class TestBlockingQueue {
    public static void main(String[] args) {
        //创建阻塞队列
        BlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<>(6);
        //创建线程池
        ExecutorService es = Executors.newCachedThreadPool();
        //提交任务
        es.submit(()->{
            for (int i = 0; i < 30; i++) {
                try {
                    queue.put("面包"+i);
                    System.out.println("生产了"+i);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
        });
        es.submit(()->{
            for (int i = 0; i < 30; i++) {
                try {
                    String take = queue.take();
                    System.out.println("消费了"+take);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
        });
        es.shutdown();
    }
}