Java并发容器及使用场景

背景

• Java集合容器，主要有四大类别：List Set Queue Map，常见的ArrayList HashMap这些都不是线程安全的
• 同步容器：简单理解为通过synchronized来实现同步的容器，比如Vector、Hashtable以及SynchronizedList等容器
• 同步容器由于共同竞争容器级别的锁，虽然解决了线程安全问题，但是整体吞吐量降低

并发容器设计思路

• 针对多线程并发设计，使用了锁分段技术，只对操作的位置进行同步操作，减小锁的粒度，从而提高吞吐量
• 采用CAS算法和部分代码使用synchronized锁保证线程安全

并发容器分类

List

• CopyOnWriteArrayList
  • 目标：代替Vector、synchronizedList
  • 原理：利用高并发往往是读多写少的特性，对读操作不加锁，对写操作，先复制一份新的集合，在新的集合上面修改，然后将新集合赋值给旧的引用，并通过volatile 保证其可见性，当然写操作的锁是必不可少的了。

Map

• ConcurrentHashMap
  • 目标：代替Hashtable、synchronizedMap，支持复合操作
  • 原理：JDK6中采用一种更加细粒度的加锁机制Segment“分段锁”，JDK8中采用CAS无锁算法。
• ConcurrentSkipListMap
  • 目标：代替synchronizedSortedMap(TreeMap)
  • 原理：Skip list（跳表）是一种可以代替平衡树的数据结构，默认是按照Key值升序的。

Set

• ConcurrentSkipListSet
  • 目标：代替synchronizedSortedSet
  • 原理：内部基于ConcurrentSkipListMap实现
• CopyOnWriteArraySet
  • 目标：代替synchronizedSet
  • 原理：基于CopyOnWriteArrayList实现，其唯一的不同是在add时调用的是CopyOnWriteArrayList的addIfAbsent方法，其遍历当前Object数组，如Object数组中已有了当前元素，则直接返回，如果没有则放入Object数组的尾部，并返回。

BlockingQueue

• ArrayBlockingQueue
  • 基于数组实现的阻塞FIFO队列
  • 通过ReentrantLock实现线程安全，由notEmpty、notFull两个Condition实现阻塞和唤醒
• LinkedBlockingQueue
  • 基于链表实现的阻塞FIFO队列
  • 通过ReentrantLock实现线程安全，通过Condition实现阻塞和唤醒，由takeLock、putLock两把锁保证并发安全
• SynchronousQueue
  • 同步队列，可用于线程间交换数据却不用存储数据
  • 队列支持公平和非公平的模式，公平模式的数据结构是队列（FIFO），非公平模式使用的是栈（LIFO）
• LinkedTransferQueue
  • 基于链表实现的无界阻塞队列
  • 相当于LinkedBlockingQueue和SynchronousQueue的合体，性能比LinkedBlockingQueue更高，比SynchronousQueue能存储更多的元素
  • 当put时，如果有等待的线程，就直接将元素 “交给” 等待者， 否则直接进入队列
  • put和transfer方法的区别是，put是立即返回的，transfer是阻塞等待消费者拿到数据才返回。
• PriorityBlockingQueue
  • 基于数组实现的支持优先级的无界阻塞队列，底层是基于二叉小顶堆实现
  • 通过ReentrantLock实现线程安全，通过Condition实现阻塞和唤醒
• DelayQueue
  • 支持延时获取元素的无界阻塞队列，内部使用PriorityQueue来实现
  • 进入队列的元素必须实现Delayed接口，在创建元素时可以指定多久才能从队列中获取当前元素，只有在延迟期满时才能从中提取元素

BlockingDeque

• LinkedBlockingDeque
  • 基于双向链表实现的阻塞FIFO或FILO队列
  • 通过ReentrantLock实现线程安全，通过Condition实现阻塞和唤醒

ConcurrentLinkedQueue

• 并发中的非阻塞队列，采用CAS非阻塞算法实现线程安全
• 基于链表实现的FIFO队列（LinkedList的并发版本）
• 由于使用CAS没有使用锁，所以获取size的时候有可能进行offer，poll或者remove操作，导致获取的元素个数不精确，所以在并发情况下size函数不是很有用。

ConcurrentLinkedDeque

• 并发中的非阻塞队列，采用CAS非阻塞算法实现线程安全
• 基于双向链表实现的FIFO或FILO队列
• 由于使用CAS没有使用锁，所以获取size的时候有可能进行offer，poll或者remove操作，导致获取的元素个数不精确，所以在并发情况下size函数不是很有用。

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