
作者:acupt,專注Java,架構(gòu)師社區(qū)合伙人! 14個并發(fā)容器,你用過幾個?
不考慮多線程并發(fā)的情況下,容器類一般使用ArrayList、HashMap等線程不安全的類,效率更高。在并發(fā)場景下,常會用到ConcurrentHashMap、ArrayBlockingQueue等線程安全的容器類,雖然犧牲了一些效率,但卻得到了安全。 上面提到的線程安全容器都在java.util.concurrent包下,這個包下并發(fā)容器不少,今天全部翻出來鼓搗一下。 僅做簡單介紹,后續(xù)再分別深入探索。 簡介ConcurrentHashMap:并發(fā)版HashMap CopyOnWriteArrayList:并發(fā)版ArrayList CopyOnWriteArraySet:并發(fā)Set ConcurrentLinkedQueue:并發(fā)隊列(基于鏈表) ConcurrentLinkedDeque:并發(fā)隊列(基于雙向鏈表) ConcurrentSkipListMap:基于跳表的并發(fā)Map ConcurrentSkipListSet:基于跳表的并發(fā)Set ArrayBlockingQueue:阻塞隊列(基于數(shù)組) LinkedBlockingQueue:阻塞隊列(基于鏈表) LinkedBlockingDeque:阻塞隊列(基于雙向鏈表) PriorityBlockingQueue:線程安全的優(yōu)先隊列 SynchronousQueue:讀寫成對的隊列 LinkedTransferQueue:基于鏈表的數(shù)據(jù)交換隊列 DelayQueue:延時隊列
ConcurrentHashMap 并發(fā)版HashMap最常見的并發(fā)容器之一,可以用作并發(fā)場景下的緩存。底層依然是哈希表,但在JAVA 8中有了不小的改變,而JAVA 7和JAVA 8都是用的比較多的版本,因此經(jīng)常會將這兩個版本的實現(xiàn)方式做一些比較(比如面試中)。 一個比較大的差異就是,JAVA 7中采用分段鎖來減少鎖的競爭,JAVA 8中放棄了分段鎖,采用CAS(一種樂觀鎖),同時為了防止哈希沖突嚴(yán)重時退化成鏈表(沖突時會在該位置生成一個鏈表,哈希值相同的對象就鏈在一起),會在鏈表長度達(dá)到閾值(8)后轉(zhuǎn)換成紅黑樹(比起鏈表,樹的查詢效率更穩(wěn)定)。 CopyOnWriteArrayList 并發(fā)版ArrayList并發(fā)版ArrayList,底層結(jié)構(gòu)也是數(shù)組,和ArrayList不同之處在于:當(dāng)新增和刪除元素時會創(chuàng)建一個新的數(shù)組,在新的數(shù)組中增加或者排除指定對象,最后用新增數(shù)組替換原來的數(shù)組。 適用場景:由于讀操作不加鎖,寫(增、刪、改)操作加鎖,因此適用于讀多寫少的場景。 局限:由于讀的時候不會加鎖(讀的效率高,就和普通ArrayList一樣),讀取的當(dāng)前副本,因此可能讀取到臟數(shù)據(jù)。如果介意,建議不用。 看看源碼感受下: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
| public class CopyOnWriteArrayList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable { final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); private transient volatile Object[] array;
// 添加元素,有鎖 public boolean add(E e) { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock(); // 修改時加鎖,保證并發(fā)安全 try { Object[] elements = getArray(); // 當(dāng)前數(shù)組 int len = elements.length; Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); // 創(chuàng)建一個新數(shù)組,比老的大一個空間 newElements[len] = e; // 要添加的元素放進(jìn)新數(shù)組 setArray(newElements); // 用新數(shù)組替換原來的數(shù)組 return true; } finally { lock.unlock(); // 解鎖 } }
// 讀元素,不加鎖,因此可能讀取到舊數(shù)據(jù) public E get(int index) { return get(getArray(), index); } }
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CopyOnWriteArraySet 并發(fā)Set基于CopyOnWriteArrayList實現(xiàn)(內(nèi)含一個CopyOnWriteArrayList成員變量),也就是說底層是一個數(shù)組,意味著每次add都要遍歷整個集合才能知道是否存在,不存在時需要插入(加鎖)。 適用場景:在CopyOnWriteArrayList適用場景下加一個,集合別太大(全部遍歷傷不起)。 ConcurrentLinkedQueue 并發(fā)隊列(基于鏈表)基于鏈表實現(xiàn)的并發(fā)隊列,使用樂觀鎖(CAS)保證線程安全。因為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是鏈表,所以理論上是沒有隊列大小限制的,也就是說添加數(shù)據(jù)一定能成功。 ConcurrentLinkedDeque 并發(fā)隊列(基于雙向鏈表)基于雙向鏈表實現(xiàn)的并發(fā)隊列,可以分別對頭尾進(jìn)行操作,因此除了先進(jìn)先出(FIFO),也可以先進(jìn)后出(FILO),當(dāng)然先進(jìn)后出的話應(yīng)該叫它棧了。 ConcurrentSkipListMap 基于跳表的并發(fā)MapSkipList即跳表,跳表是一種空間換時間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),通過冗余數(shù)據(jù),將鏈表一層一層索引,達(dá)到類似二分查找的效果 
ConcurrentSkipListSet 基于跳表的并發(fā)Set類似HashSet和HashMap的關(guān)系,ConcurrentSkipListSet里面就是一個ConcurrentSkipListMap,就不細(xì)說了。 ArrayBlockingQueue 阻塞隊列(基于數(shù)組)基于數(shù)組實現(xiàn)的可阻塞隊列,構(gòu)造時必須制定數(shù)組大小,往里面放東西時如果數(shù)組滿了便會阻塞直到有位置(也支持直接返回和超時等待),通過一個鎖ReentrantLock保證線程安全。 用offer操作舉個例子: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50
| public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E> implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable { /** * 讀寫共用此鎖,線程間通過下面兩個Condition通信 * 這兩個Condition和lock有緊密聯(lián)系(就是lock的方法生成的) * 類似Object的wait/notify */ final ReentrantLock lock;
/** 隊列不為空的信號,取數(shù)據(jù)的線程需要關(guān)注 */ private final Condition notEmpty;
/** 隊列沒滿的信號,寫數(shù)據(jù)的線程需要關(guān)注 */ private final Condition notFull;
// 一直阻塞直到有東西可以拿出來 public E take() throws InterruptedException { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lockInterruptibly(); try { while (count == 0) notEmpty.await(); return dequeue(); } finally { lock.unlock(); } }
// 在尾部插入一個元素,隊列已滿時等待指定時間,如果還是不能插入則返回 public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { checkNotNull(e); long nanos = unit.toNanos(timeout); final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lockInterruptibly(); // 鎖住 try { // 循環(huán)等待直到隊列有空閑 while (count == items.length) { if (nanos <= 0) return false;// 等待超時,返回 // 暫時放出鎖,等待一段時間(可能被提前喚醒并搶到鎖,所以需要循環(huán)判斷條件) // 這段時間可能其他線程取走了元素,這樣就有機(jī)會插入了 nanos = notFull.awaitNanos(nanos); } enqueue(e);//插入一個元素 return true; } finally { lock.unlock(); //解鎖 } }
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乍一看會有點疑惑,讀和寫都是同一個鎖,那要是空的時候正好一個讀線程來了不會一直阻塞嗎? 答案就在notEmpty、notFull里,這兩個出自lock的小東西讓鎖有了類似synchronized + wait + notify的功能。傳送門 → 終于搞懂了sleep/wait/notify/notifyAll LinkedBlockingQueue 阻塞隊列(基于鏈表)基于鏈表實現(xiàn)的阻塞隊列,想比與不阻塞的ConcurrentLinkedQueue,它多了一個容量限制,如果不設(shè)置默認(rèn)為int最大值。 LinkedBlockingDeque 阻塞隊列(基于雙向鏈表)類似LinkedBlockingQueue,但提供了雙向鏈表特有的操作。 PriorityBlockingQueue 線程安全的優(yōu)先隊列構(gòu)造時可以傳入一個比較器,可以看做放進(jìn)去的元素會被排序,然后讀取的時候按順序消費。某些低優(yōu)先級的元素可能長期無法被消費,因為不斷有更高優(yōu)先級的元素進(jìn)來。 SynchronousQueue 數(shù)據(jù)同步交換的隊列一個虛假的隊列,因為它實際上沒有真正用于存儲元素的空間,每個插入操作都必須有對應(yīng)的取出操作,沒取出時無法繼續(xù)放入。 一個簡單的例子感受一下: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46
| import java.util.concurrent.*;
public class Main {
public static void main(String[] args) { SynchronousQueue<Integer> queue = new SynchronousQueue<>(); new Thread(() -> { try { // 沒有休息,瘋狂寫入 for (int i = 0; ; i++) { System.out.println('放入: ' + i); queue.put(i); } } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
}).start(); new Thread(() -> { try { // 咸魚模式取數(shù)據(jù) while (true) { System.out.println('取出: ' + queue.take()); Thread.sleep((long) (Math.random() * 2000)); } } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
}).start(); }
}
/* 輸出:
放入: 0 取出: 0 放入: 1 取出: 1 放入: 2 取出: 2 放入: 3 取出: 3
*/
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可以看到,寫入的線程沒有任何sleep,可以說是全力往隊列放東西,而讀取的線程又很不積極,讀一個又sleep一會。輸出的結(jié)果卻是讀寫操作成對出現(xiàn)。 JAVA中一個使用場景就是Executors.newCachedThreadPool(),創(chuàng)建一個緩存線程池。 1 2 3 4 5 6 7
| public static ExecutorService newCachedThreadPool() { return new ThreadPoolExecutor( 0, // 核心線程為0,沒用的線程都被無情拋棄 Integer.MAX_VALUE, // 最大線程數(shù)理論上是無限了,還沒到這個值機(jī)器資源就被掏空了 60L, TimeUnit.SECONDS, // 閑置線程60秒后銷毀 new SynchronousQueue<Runnable>()); // offer時如果沒有空閑線程取出任務(wù),則會失敗,線程池就會新建一個線程 }
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LinkedTransferQueue 基于鏈表的數(shù)據(jù)交換隊列實現(xiàn)了接口TransferQueue,通過transfer方法放入元素時,如果發(fā)現(xiàn)有線程在阻塞在取元素,會直接把這個元素給等待線程。如果沒有人等著消費,那么會把這個元素放到隊列尾部,并且此方法阻塞直到有人讀取這個元素。和SynchronousQueue有點像,但比它更強(qiáng)大。 DelayQueue 延時隊列可以使放入隊列的元素在指定的延時后才被消費者取出,元素需要實現(xiàn)Delayed接口。 總結(jié)上面簡單介紹了JAVA并發(fā)包下的一些容器類,知道有這些東西,遇到合適的場景時就能想起有個現(xiàn)成的東西可以用了。想要知其所以然,后續(xù)還得再深入探索一番。
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