java并发容器

java并发容器(Map、List、BlockingQueue) (2011-03-08 17:45:35)转载▼标签： java并发容器maplistblockingqueue杂谈 分类： 架构与开发 

Java库本身就有多种线程安全的容器和同步工具，其中同步容器包括两部分：一个是Vector和Hashtable。另外还有JDK1.2中加入的同步包装类，这些类都是由Collections.synchronizedXXX工厂方法。同步容器都是线程安全的，但是对于复合操作，缺有些缺点：

①　迭代：在查觉到容器在迭代开始以后被修改，会抛出一个未检查异常ConcurrentModificationException，为了避免这个异常，需要在迭代期间，持有一个容器锁。但是锁的缺点也很明显，就是对性能的影响。

②　隐藏迭代器：StringBuilder的toString方法会通过迭代容器中的每个元素，另外容器的hashCode和equals方法也会间接地调用迭代。类似地，contailAll、removeAll、retainAll方法，以及容器作为参数的构造函数，都会对容器进行迭代。

③　缺少即加入等一些复合操作



public static Object getLast(Vector list) {    

int lastIndex = list.size() - 1;    

return list.get(lastIndex);

}

public static void deleteLast(Vector list) {    

int lastIndex = list.size() - 1;    

list.remove(lastIndex);

}

getLast和deleteLast都是复合操作，由先前对原子性的分析可以判断，这依然存在线程安全问题，有可能会抛出ArrayIndexOutOfBoundsException的异常，错误产生的逻辑如下所示：




解决办法就是通过对这些复合操作加锁


1 并发容器类


正是由于同步容器类有以上问题，导致这些类成了鸡肋，于是Java 5推出了并发容器类，Map对应的有ConcurrentHashMap，List对应的有CopyOnWriteArrayList。与同步容器类相比，它有以下特性：



1.1 ConcurrentHashMap


· 更加细化的锁机制。同步容器直接把容器对象做为锁，这样就把所有操作串行化，其实这是没必要的，过于悲观，而并发容器采用更细粒度的锁机制，名叫分离锁，保证一些不会发生并发问题的操作进行并行执行

· 附加了一些原子性的复合操作。比如putIfAbsent方法

· 迭代器的弱一致性，而非“及时失败”。它在迭代过程中不再抛出Concurrentmodificationexception异常，而是弱一致性。

· 在并发高的情况下，有可能size和isEmpty方法不准确，但真正在并发环境下这些方法也没什么作用。

· 另外，它还有一些附加的原子操作，缺少即加入、相等便移除、相等便替换。



putIfAbsent(K key, V value)，缺少即加入（如果该键已经存在，则不加入）
          如果指定键已经不再与某个值相关联，则将它与给定值关联。

类似于下面的操作

If(!map.containsKey(key)){

return map.put(key,value);

}else{

return map.get(key);

}



remove(Object key, Object value),相等便移除
          只有目前将键的条目映射到给定值时，才移除该键的条目。

类似于下面的：

if(map.containsKey(key) && map.get(key).equals(value)){

Map.remove();

return true;

}else{

return false;

}



replace(K key, V value)

replace(K key, V oldValue, V newValue),相等便替换。
          只有目前将键的条目映射到某一值时，才替换该键的条目。



上面提到的三个，都是原子的。在一些缓存应用中可以考虑代替HashMap/Hashtable。



1.2 CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet
· CopyOnWriteArrayList采用写入时复制的方式避开并发问题。这其实是通过冗余和不可变性来解决并发问题，在性能上会有比较大的代价，但如果写入的操作远远小于迭代和读操作，那么性能就差别不大了。



应用它们的场合通常在数组相对较小，并且遍历操作的数量大大超过可变操作的数量时，这种场合应用它们非常好。它们所有可变的操作都是先取得后台数组的副本，对副本进行更改，然后替换副本，这样可以保证永远不会抛出ConcurrentModificationException移除。

2 队列
Java中的队列接口就是Queue，它有会抛出异常的add、remove方法，在队尾插入元素以及对头移除元素，还有不会抛出异常的，对应的offer、poll方法。



2.1 LinkedList
List实现了deque接口以及List接口，可以将它看做是这两种的任何一种。



Queue queue=new LinkedList();

queue.offer("testone");

queue.offer("testtwo");

queue.offer("testthree");

queue.offer("testfour");



System.out.println(queue.poll()); //testone

2.2 PriorityQueue
一个基于优先级堆（简单的使用链表的话，可能插入的效率会比较低O(N)）的无界优先级队列。优先级队列的元素按照其自然顺序进行排序，或者根据构造队列时提供的 Comparator 进行排序，具体取决于所使用的构造方法。优先级队列不允许使用 null 元素。依靠自然顺序的优先级队列还不允许插入不可比较的对象。



queue=new PriorityQueue();

queue.offer("testone");

queue.offer("testtwo");

queue.offer("testthree");

queue.offer("testfour");



System.out.println(queue.poll()); //testfour



2.3 ConcurrentLinkedQueue
基于链节点的，线程安全的队列。并发访问不需要同步。在队列的尾部添加元素，并在头部删除他们。所以只要不需要知道队列的大小，并发队列就是比较好的选择。







3 阻塞队列
3.1 生产者和消费者模式
生产者和消费者模式，生产者不需要知道消费者的身份或者数量，甚至根本没有消费者，他们只负责把数据放入队列。类似地，消费者也不需要知道生产者是谁，以及是谁给他们安排的工作。



而Java知道大家清楚这个模式的并发复杂性，于是乎提供了阻塞队列（BlockingQueue）来满足这个模式的需求。阻塞队列说起来很简单，就是当队满的时候写线程会等待，直到队列不满的时候；当队空的时候读线程会等待，直到队不空的时候。实现这种模式的方法很多，其区别也就在于谁的消耗更低和等待的策略更优。以LinkedBlockingQueue的具体实现为例，它的put源码如下：

public void put(E e) throws InterruptedException {

        if (e == null) throw new NullPointerException();

        int c = -1;

        final ReentrantLock putLock = this.putLock;

        final AtomicInteger count = this.count;

        putLock.lockInterruptibly();

        try {

           

            try {

                while (count.get() == capacity)

                    notFull.await();

            } catch (InterruptedException ie) {

                notFull.signal();

// propagate to a non-interrupted thread

                throw ie;

            }

            insert(e);

            c = count.getAndIncrement();

            if (c + 1 < capacity)

                notFull.signal();

        } finally {

            putLock.unlock();

        }

        if (c == 0)

            signalNotEmpty();

}



撇开其锁的具体实现，其流程就是我们在操作系统课上学习到的标准生产者模式，看来那些枯燥的理论还是有用武之地的。其中，最核心的还是Java的锁实现，有兴趣的朋友可以再进一步深究一下。



阻塞队列Blocking queue，提供了可阻塞的put和take方法，他们与可定时的offer和poll方法是等价。Put方法简化了处理，如果是有界队列，那么当队列满的时候，生成者就会阻塞，从而改消费者更多的追赶速度。



 



3.2 ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue


FIFO的队列，与LinkedList(由链节点支持，无界)和ArrayList（由数组支持，有界）相似（Linked有更好的插入和移除性能，Array有更好的查找性能，考虑到阻塞队列的特性，移除头部，加入尾部，两个都区别不大），但是却拥有比同步List更好的并发性能。



另外，LinkedList永远不会等待，因为他是无界的。



BlockingQueue<String> queue=new ArrayBlockingQueue<String>(5);



Producer p=new Producer(queue);

Consumer c1=new Consumer(queue);

Consumer c2=new Consumer(queue);



new Thread(p).start();

new Thread(c1).start();

new Thread(c2).start();





class Producer implements Runnable {

   private final BlockingQueue queue;

   Producer(BlockingQueue q) { queue = q; }

  

   public void run() {

     try {

      for(int i=0;i<100;i++){

      queue.put(produce());

      }

     

     } catch (InterruptedException ex) {}

   }

  

   String produce() {

   String temp=""+(char)('A'+(int)(Math.random()*26));

   System.out.println("produce"+temp);

   return temp;

   }

}





class Consumer implements Runnable {

   private final BlockingQueue queue;

   Consumer(BlockingQueue q) { queue = q; }

   public void run() {

     try {

      for(int i=0;i<100;i++){

      consume(queue.take());

      }

     } catch (InterruptedException ex) {}

   }

   void consume(Object x) {

   System.out.println("cousume"+x.toString());

   }

}



输出：

produceK

cousumeK

produceV

cousumeV

produceQ

cousumeQ

produceI

produceD

produceI

produceG

produceA

produceE

cousumeD

3.3 PriorityBlockingQueue
一个按优先级堆支持的无界优先级队列队列，如果不希望按照FIFO的顺序进行处理，它非常有用。它可以比较元素本身的自然顺序，也可以使用一个Comparator排序。

3.4 DelayQueue
一个优先级堆支持的，基于时间的调度队列。加入到队列中的元素必须实现新的Delayed接口（只有一个方法，Long getDelay(java.util.concurrent.TimeUnit unit)），添加可以理立即返回，但是在延迟时间过去之前，不能从队列中取出元素，如果多个元素的延迟时间已到，那么最早失效链接/失效时间最长的元素将第一个取出。



static class NanoDelay implements Delayed{

long tigger;



NanoDelay(long i){

tigger=System.nanoTime()+i;

}



public boolean equals(Object other){

return ((NanoDelay)other).tigger==tigger;

}





public long getDelay(TimeUnit unit) {

long n=tigger-System.nanoTime();

return unit.convert(n, TimeUnit.NANOSECONDS);

}



public long getTriggerTime(){

return tigger;

}





public int compareTo(Delayed o) {

long i=tigger;

long j=((NanoDelay)o).tigger;

if(i<j){

return -1;

}

if(i>j)

return 1;

return 0;

}



}



public static void main(String[] args) throws InterruptedException{

Random random=new Random();

DelayQueue<NanoDelay> queue=new DelayQueue<NanoDelay>();

for(int i=0;i<5;i++){

queue.add(new NanoDelay(random.nextInt(1000)));



}

long last=0;

for(int i=0;i<5;i++){

NanoDelay delay=(NanoDelay)(queue.take());

long tt=delay.getTriggerTime();

System.out.println("Trigger time："+tt);



if(i!=0){

System.out.println("Data: "+(tt-last));

}

last=tt;

}



}





3.5 SynchronousQueue
不是一个真正的队列，因为它不会为队列元素维护任何存储空间，不过它维护一个排队的线程清单，这些线程等待把元素加入（enqueue）队列或者移出（dequeue）队列。也就是说，它非常直接的移交工作，减少了生产者和消费者之间移动数据的延迟时间，另外，也可以更快的知道反馈信息，当移交被接受时，它就知道消费者已经得到了任务。

因为SynChronousQueue没有存储的能力，所以除非另一个线程已经做好准备，否则put和take会一直阻止。它只有在消费者比较充足的时候比较合适。



4 双端队列（Deque）
JAVA6中新增了两个容器Deque和BlockingDeque，他们分别扩展了Queue和BlockingQueue。Deque它是一个双端队列，允许高效的在头和尾分别进行插入和删除，它的实现分别是ArrayDeque和LinkedBlockingQueue。



双端队列使得他们能够工作在一种称为“窃取工作”的模式上面。



5 最佳实践
1..同步的（synchronized）+HashMap，如果不存在，则计算，然后加入，该方法需要同步。

HashMap cache=new HashMap();

public synchronized V compute(A arg){

V result=cace.get(arg);

Ii(result==null){

result=c.compute(arg);

Cache.put(result);

}

Return result;

}





2.用ConcurrentHashMap代替HashMap+同步.，这样的在get和set的时候也基本能保证原子性。但是会带来重复计算的问题.

Map<A,V> cache=new ConcurrentHashMap<A,V>();

public  V compute(A arg){

V result=cace.get(arg);

Ii(result==null){

result=c.compute(arg);

Cache.put(result);

}

Return result;

}

3.采用FutureTask代替直接存储值，这样可以在一开始创建的时候就将Task加入

Map<A,FutureTask<V>> cache=new ConcurrentHashMap<A,FutureTask<V>>();

public  V compute(A arg){

FutureTask <T> f=cace.get(arg);

//检查再运行的缺陷

Ii(f==null){

Callable<V> evel=new Callable(){

Public V call() throws ..{

return c.compute(arg);

}

};

FutureTask <T> ft=new FutureTask<T>(evel);

f=ft;

cache.put(arg,ft;

ft.run();

}

Try{

//阻塞，直到完成

return f.get();

}cach(){

}

}



4.上面还有检查再运行的缺陷，在高并发的情况下啊，双方都没发现FutureTask，并且都放入Map（后一个被前一个替代），都开始了计算。



这里的解决方案在于，当他们都要放入Map的时候，如果可以有原子方法，那么已经有了以后，后一个FutureTask就加入，并且启动。

public  V compute(A arg){

FutureTask <T> f=cace.get(arg);

//检查再运行的缺陷

Ii(f==null){

Callable<V> evel=new Callable(){

Public V call() throws ..{

return c.compute(arg);

}

};

FutureTask <T> ft=new FutureTask<T>(evel);

f=cache.putIfAbsent(args,ft); //如果已经存在，返回存在的值，否则返回null

if(f==null){f=ft;ft.run();} //以前不存在，说明应该开始这个计算

else{ft=null;} //取消该计算

}

Try{

//阻塞，直到完成

return f.get();

}cach(){

}

}



5.上面的程序上来看已经完美了，不过可能带来缓存污染的可能性。如果一个计算被取消或者失败，那么这个键以后的值永远都是失败了；一种解决方案是，发现取消或者失败的task，就移除它，如果有Exception，也移除。





6.另外，如果考虑缓存过期的问题，可以为每个结果关联一个过去时间，并周期性的扫描，清除过期的缓存。（过期时间可以用Delayed接口实现，参考DelayQueue，给他一个大于当前时间XXX的时间，，并且不断减去当前时间，直到返回负数，说明延迟时间已到了。）





Java集合容器总结。
按数据结构主要有以下几类：
1,内置容器:数组
2,list容器:Vetor,Stack，ArrayList,LinkedList,
CopyOnWriteArrayList(1.5),AttributeList(1.5),RoleList(1.5),RoleUnresolvedList(1.5)，
ConcurrentLinkedQueue(1.5),ArrayBlockingQueue(1.5)，LinkedBlockingQueue（1.5），
PriorityQueue（1.5），PriorityBlockingQueue（1.5），SynchronousQueue（1.5）
3,set容器：HashSet（1.2）,LinkedHashSet（1.4）,TreeSet（1.2），
CopyOnWriteArraySet（1.5），EnumSet（1.5），JobStateReasons。
4,map容器：Hashtable,HashMap（1.2）,TreeMap（1.2），LinkedHashMap（1.4），WeakHashMap（1.2），
IdentityHashMap（1.4），ConcurrentMap（1.5），concurrentHashMap（1.5）。
Set 接口继承 Collection，但不允许重复，使用自己内部的一个排列机制。
List 接口继承 Collection，允许重复，以元素安插的次序来放置元素，不会重新排列。
Map接口是一组成对的键－值对象，即所持有的是key-value pairs。Map中不能有重复的key。拥有自己的内部排列机制。
按新旧主要有以下几类：
Java1.2前的容器：Vector,Stack,Hashtable。
Java1.2的容器：HashSet，TreeSet，HashMap，TreeMap，WeakHashMap
Java1.4的容器：LinkedHashSet，LinkedHashMap，IdentityHashMap，ConcurrentMap，concurrentHashMap
java1.5新增：CopyOnWriteArrayList,AttributeList,RoleList,RoleUnresolvedList，
ConcurrentLinkedQueue,ArrayBlockingQueue，LinkedBlockingQueue，PriorityBlockingQueue
ArrayBlockingQueue，CopyOnWriteArraySet，EnumSet，
未知：JobStateReasons
按线程安全主要有以下几类：
线程安全
一，使用锁：
  完全不支持并发：
  list容器：Vetor，Stack，CopyOnWriteArrayList，ArrayBlockingQueue，
  LinkedBlockingQueue，PriorityBlockingQueue，SynchronousQueue
  set容器：CopyOnWriteArraySet
  map容器：Hashtable
  部分支持并发：
  list容器：无
  set容器：无
  map容器：concurrentHashMap
使用非阻塞算法：
list容器：ConcurrentLinkedQueue
set容器：无
map容器：无
二，非线程安全：
list容器：ArrayList,LinkedList，AttributeList，RoleList,RoleUnresolvedList，PriorityQueue
set容器：HashSet，TreeSet，LinkedHashSet，EnumSet
map容器：HashMap，TreeMap，LinkedHashMap，WeakHashMap，IdentityHashMap,EnumMap
按遍历安全主要有以下几类：
一，遍历安全：
可并发遍历：
   list容器：CopyOnWriteArrayList，ConcurrentLinkedQueue
   set容器：CopyOnWriteArraySet，EnumSet，EnumMap
   map容器：无
不可并发遍历：
   list容器：Vetor，Stack，Hashtable，ArrayBlockingQueue，
   LinkedBlockingQueue，PriorityBlockingQueue，SynchronousQueue
   set容器：无
   map容器：Hashtable，concurrentHashMap
注意1：concurrentHashMap迭代器它们不会抛出ConcurrentModificationException。不过，迭代器被设计成每次仅由一个线程使用。
二，遍历不安全：
会抛异常ConcurrentModificationException：
list容器：ArrayList，LinkedList，AttributeList，RoleList，RoleUnresolvedList
set容器：HashSet，TreeSet，TreeSet，LinkedHashSet
map容器：HashMap，TreeMap，LinkedHashMap，WeakHashMap，IdentityHashMap
注意1：返回的迭代器是弱一致 的：它们不会抛出 ConcurrentModificationException，
   也不一定显示在迭代进行时发生的任何映射修改的效果的容器有：
   EnumSet,EnumMap
按遍历是否有序性分类
存储数据有序：
list容器: ConcurrentLinkedQueue(1.5),ArrayBlockingQueue(1.5)，LinkedBlockingQueue（1.5），
SynchronousQueue（1.5）
set容器：TreeSet（1.2）.（他们实现了set接口），
CopyOnWriteArraySet（1.5），EnumSet（1.5），JobStateReasons。
map容器：TreeMap（1.2），LinkedHashMap（1.4） 。
一定规则下存储数据有序：
list容器:Stack，Vetor，ArrayList，LinkedList，CopyOnWriteArrayList(1.5),AttributeList(1.5),RoleList(1.5),RoleUnresolvedList(1.5)
set容器：无
map容器：无
遍历无序但移除有序：
list容器:PriorityQueue（1.5），PriorityBlockingQueue（1.5）
set容器：无
map容器：无
无论如何都无序：
list容器:无
set容器：HashSet（1.2）,LinkedHashSet（1.4）
map容器：Hashtable,HashMap（1.2），WeakHashMap（1.2），IdentityHashMap（1.4），
ConcurrentMap（1.5），concurrentHashMap（1.5）
可以按自然顺序（参见 Comparable）或比较器进行排序的有：
list容器：PriorityQueue（1.5），PriorityBlockingQueue
set容器：TreeSet（1.2）
map容器：TreeMap（1.2）
实现了RandomAccess接口的有：
ArrayList, AttributeList, CopyOnWriteArrayList, RoleList, RoleUnresolvedList, Stack, Vector
RandomAccess接口是List 实现所使用的标记接口，用来表明其支持快速（通常是固定时间）随机访问。此接口的主要目的是允许一般的算法更改其行为，从而在将其应用到随机或连续访问列表时能提供良好的性能。
在对List特别的遍历算法中，要尽量来判断是属于 RandomAccess(如ArrayList)还是SequenceAccess(如LinkedList），
因为适合RandomAccess List的遍历算法，用在SequenceAccess List上就差别很大，
即对于实现了RandomAccess接口的类实例而言，此循环
for (int i=0, i<list.size(); i++)
   list.get(i);
的运行速度要快于以下循环：
     for (Iterator i=list.iterator(); i.hasNext(); )
    i.next();