Java学习12（常用并发容器总结）

落日映苍穹つ 2024-03-23 16:36 41阅读 0赞

JDK 提供的这些容器大部分在 `java.util.concurrent` 包中。

*  `ConcurrentHashMap` : 线程安全的 HashMap
 *  `CopyOnWriteArrayList` : 线程安全的 `List`，在读多写少的场合性能非常好，远远好于 `Vector`。
 *  `ConcurrentLinkedQueue` : 高效的并发队列，使用**链表**实现。可以看做一个线程安全的 `LinkedList`，这是一个**非阻塞队列**。
 *  `BlockingQueue` : 这是一个接口，JDK 内部通过链表、数组等方式实现了这个接口。表示阻塞队列，非常适合用于作为数据共享的通道。
 *  `ConcurrentSkipListMap` : **跳表**的实现。这是一个 `Map`，使用跳表的数据结构进行快速查找。

***1、ConcurrentHashMap***

`HashMap` 不是线程安全的，在并发场景下如果要保证一种可行的方式是使用 `Collections.synchronizedMap()` 方法来包装我们的 `HashMap`。但这是通过使用一个**全局的锁来同步不同线程间的并发访问**，因此会带来不可忽视的性能问题。

所以就有了 `HashMap` 的线程安全版本—— `ConcurrentHashMap` 的诞生。

在 `ConcurrentHashMap` 中，无论是读操作还是写操作都能保证很高的性能：在进行读操作时(几乎)不需要加锁，而在写操作时通过**锁分段技术**只对所**操作的段加锁**而不影响客户端对其它段的访问。

***2、CopyOnWriteArrayList***

**CopyOnWriteArrayList 简介**

public class CopyOnWriteArrayList<E>
    extends Object
    implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, Serializable

在很多应用场景中，读操作可能会远远大于写操作。由于**读操作根本不会修改原有的数据，因此对于每次读取都进行加锁其实是一种资源浪费**。我们应该允许多个线程同时访问 List 的内部数据，毕竟读取操作是安全的。

这和我们之前提到过的 `ReentrantReadWriteLock` 读写锁的思想非常类似，也就是读读共享、写写互斥、读写互斥、写读互斥。JDK 中提供了 `CopyOnWriteArrayList` 类比相比于在读写锁的思想又更进一步。为了将读取的性能发挥到极致，`CopyOnWriteArrayList` **读取是完全不用加锁的**，并且更厉害的是：**写入也不会阻塞读取操作**。**只有写入和写入之间需要进行同步等待**。这样一来，读操作的性能就会大幅度提升。

**CopyOnWriteArrayList 是如何做到的？**

`CopyOnWriteArrayList` 类的所有可变操作 **（add，set 等等）** 都是通过`创建底层数组的新副本`来实现的。当 List 需要被修改的时候，**并不修改原有内容，而是对原有数据进行一次复制，将修改的内容写入副本**。写完之后，再将修改完的副本替换原来的数据，这样就可以保证写操作不会影响读操作了。

从 `CopyOnWriteArrayList` 的名字就能看出 `CopyOnWriteArrayList` 是满足 `CopyOnWrite` 的。所谓 `CopyOnWrite` 也就是说：在计算机，如果你想要对一块内存进行修改时，我们**不在原有内存块中进行写操作，而是将内存拷贝一份，在新的内存中进行写操作，写完之后呢，就将指向原来内存指针指向新的内存，原来的内存就可以被回收掉了**。

***3、ConcurrentLinkedQueue***

Java 提供的线程安全的 `Queue` 可以分为**阻塞队列和非阻塞队列**，其中**阻塞队列的典型例子**是 `BlockingQueue`，**非阻塞队列的典型例子**是 `ConcurrentLinkedQueue`，在实际应用中要根据实际需要选用阻塞队列或者非阻塞队列。 **阻塞队列可以通过加锁来实现，非阻塞队列可以通过 CAS 操作实现**。

从名字可以看出，`ConcurrentLinkedQueue`这个队列使用**链表**作为其数据结构．`ConcurrentLinkedQueue` 应该算是在高并发环境中性能最好的队列了。它之所有能有很好的性能，是因为其内部复杂的实现。

`ConcurrentLinkedQueue` 主要使用 `CAS` 非阻塞算法来实现线程安全就好了。

`ConcurrentLinkedQueue` 适合在对性能要求相对较高，同时对队列的读写存在多个线程同时进行的场景，即如果对队列加锁的成本较高则适合使用无锁的 `ConcurrentLinkedQueue` 来替代。

***4、BlockingQueue***

`BlockingQueue` 简介上面我们己经提到了 `ConcurrentLinkedQueue` 作为高性能的非阻塞队列。下面我们要讲到的是**阻塞队列**——`BlockingQueue`。

阻塞队列（`BlockingQueue`）被广泛使用在“生产者-消费者”问题中，其原因是 `BlockingQueue` 提供了可阻塞的插入和移除的方法。当队列容器已满，生产者线程会被阻塞，直到队列未满；当队列容器为空时，消费者线程会被阻塞，直至队列非空时为止。

`BlockingQueue` 是一个接口，继承自 `Queue`，所以其实现类也可以作为 `Queue` 的实现来使用，而 `Queue` 又继承自 `Collection` 接口。

主要介绍一下 3 个常见的 `BlockingQueue` 的实现类：`ArrayBlockingQueue`、`LinkedBlockingQueue` 、`PriorityBlockingQueue` 。

**ArrayBlockingQueue**

`ArrayBlockingQueue` 是 `BlockingQueue` 接口的有界队列实现类，底层采用**数组**来实现。

public class ArrayBlockingQueue<E>
    extends AbstractQueue<E>
    implements BlockingQueue<E>, Serializable{
        }

`ArrayBlockingQueue` 一旦创建，容量不能改变。其并发控制采用可重入锁 `ReentrantLock` ，不管是插入操作还是读取操作，都需要获取到锁才能进行操作。当队列容量满时，尝试将元素放入队列将导致操作阻塞;尝试从一个空队列中取一个元素也会同样阻塞。