前言
在多線程環(huán)境下，數(shù)據(jù)的并發(fā)訪問和修改是無法避免的問題。
為了解決這個問題，JAVA 提供了一系列并發(fā)容器，這些容器在內(nèi)部已經(jīng)處理了并發(fā)問題，使得我們可以在多線程環(huán)境下安全地訪問和修改數(shù)據(jù)。
并發(fā)容器
1.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(shí)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）。
示例
import java.util.concurrent.*;
public class ConcurrentHashMapExample {
public static void mAIn(String[] args) {
// Creating a ConcurrentHashMap
ConcurrentHashMap<String, String> map = new ConcurrentHashMap<String, String>();
// Adding elements to the ConcurrentHashMap
map.put("Key1", "Value1");
map.put("Key2", "Value2");
map.put("Key3", "Value3");
// Printing the ConcurrentHashMap
System.out.println("ConcurrentHashMap: " + map);
}
}
2.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。
CopyOnWriteArrayList 的主要特性是，每當(dāng)列表修改時，例如添加或刪除元素，它都會創(chuàng)建列表的一個新副本。原始列表和新副本都可以進(jìn)行并發(fā)讀取，這樣就可以在不鎖定整個列表的情況下進(jìn)行并發(fā)讀取。這種方法在讀取操作遠(yuǎn)多于寫入操作的場景中非常有用。
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：
示例
import java.util.concurrent.*;
public class CopyOnWriteArrayListExample {
public static void main(String[] args) {
// 創(chuàng)建一個 CopyOnWriteArrayList
CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<String>();
// 向 CopyOnWriteArrayList 添加元素
list.add("Element1");
list.add("Element2");
list.add("Element3");
// 打印 CopyOnWriteArrayList
System.out.println("CopyOnWriteArrayList: " + list);
}
}
3.CopyOnWriteArraySet 并發(fā) Set
基于 CopyOnWriteArrayList 實(shí)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）。
CopyOnWriteArraySet 的工作原理與 CopyOnWriteArrayList 類似。每當(dāng)發(fā)生修改操作（如添加或刪除元素）時，它都會創(chuàng)建集合的一個新副本。原始集合和新副本都可以進(jìn)行并發(fā)讀取，這樣就可以在不鎖定整個集合的情況下進(jìn)行并發(fā)讀取。這種方法在讀取操作遠(yuǎn)多于寫入操作的場景中非常有用。
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）。
示例
import java.util.concurrent.*;
public class CopyOnWriteArraySetExample {
public static void main(String[] args) {
// 創(chuàng)建一個 CopyOnWriteArraySet
CopyOnWriteArraySet<String> set = new CopyOnWriteArraySet<String>();
// 向 CopyOnWriteArraySet 添加元素
set.add("Element1");
set.add("Element2");
set.add("Element3");
// 打印 CopyOnWriteArraySet
System.out.println("CopyOnWriteArraySet: " + set);
}
}
4.ConcurrentLinkedQueue 并發(fā)隊(duì)列 (基于鏈表)
基于鏈表實(shí)現(xiàn)的并發(fā)隊(duì)列，使用樂觀鎖 (CAS) 保證線程安全。因?yàn)閿?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是鏈表，所以理論上是沒有隊(duì)列大小限制的，也就是說添加數(shù)據(jù)一定能成功。
ConcurrentLinkedQueue 是 Java 并發(fā)包的一部分，它是基于鏈接節(jié)點(diǎn)的無界線程安全隊(duì)列。它按照 FIFO（先進(jìn)先出）的原則對元素進(jìn)行排序。
ConcurrentLinkedQueue 的主要優(yōu)點(diǎn)是它允許完全并發(fā)的插入，并且使用了一種高效的“wait-free”算法。
示例
import java.util.concurrent.*;
public class ConcurrentLinkedQueueExample {
public static void main(String[] args) {
// 創(chuàng)建一個 ConcurrentLinkedQueue
ConcurrentLinkedQueue<String> queue = new ConcurrentLinkedQueue<String>();
// 向 ConcurrentLinkedQueue 添加元素
queue.add("Element1");
queue.add("Element2");
queue.add("Element3");
// 打印 ConcurrentLinkedQueue
System.out.println("ConcurrentLinkedQueue: " + queue);
}
}
5.ConcurrentLinkedDeque 并發(fā)隊(duì)列 (基于雙向鏈表)
基于雙向鏈表實(shí)現(xiàn)的并發(fā)隊(duì)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。
ConcurrentLinkedDeque 是 Java 并發(fā)包的一部分，它是一個基于鏈接節(jié)點(diǎn)的無界并發(fā)雙端隊(duì)列。在 ConcurrentLinkedDeque 中，添加、刪除等操作可以在隊(duì)列的兩端進(jìn)行，使其具有更高的并發(fā)性。
示例
import java.util.concurrent.*;
public class ConcurrentLinkedDequeExample {
public static void main(String[] args) {
// 創(chuàng)建一個 ConcurrentLinkedDeque
ConcurrentLinkedDeque<String> deque = new ConcurrentLinkedDeque<String>();
// 向 ConcurrentLinkedDeque 添加元素
deque.add("Element1");
deque.addFirst("Element2");
deque.addLast("Element3");
// 打印 ConcurrentLinkedDeque
System.out.println("ConcurrentLinkedDeque: " + deque);
}
}
6.ConcurrentSkipListMap 基于跳表的并發(fā) Map
ConcurrentSkipListMap 是 Java 并發(fā)包的一部分，它是一個線程安全的排序映射表。它使用跳表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來保證元素的有序性和并發(fā)性。
跳表是一種可以進(jìn)行二分查找的有序鏈表。ConcurrentSkipListMap 提供了預(yù)期的平均 log(n) 時間成本來執(zhí)行 containsKey，get，put 和 remove 操作，并且它的并發(fā)性通常優(yōu)于基于樹的算法。
SkipList 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
示例
import java.util.concurrent.*;
public class ConcurrentSkipListMapExample {
public static void main(String[] args) {
// 創(chuàng)建一個 ConcurrentSkipListMap
ConcurrentSkipListMap<String, String> map = new ConcurrentSkipListMap<String, String>();
// 向 ConcurrentSkipListMap 添加元素
map.put("Key1", "Value1");
map.put("Key2", "Value2");
map.put("Key3", "Value3");
// 打印 ConcurrentSkipListMap
System.out.println("ConcurrentSkipListMap: " + map);
}
}
7.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，
ConcurrentSkipListSet 是 Java 并發(fā)包的一部分，它是一個線程安全的排序集合。它使用跳表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來保證元素的有序性和并發(fā)性。
跳表是一種可以進(jìn)行二分查找的有序鏈表。ConcurrentSkipListSet 提供了預(yù)期的平均 log(n) 時間成本來執(zhí)行 contains，add 和 remove 操作，并且它的并發(fā)性通常優(yōu)于基于樹的算法。
示例
import java.util.concurrent.*;
public class ConcurrentSkipListSetExample {
public static void main(String[] args) {
// 創(chuàng)建一個 ConcurrentSkipListSet
ConcurrentSkipListSet<String> set = new ConcurrentSkipListSet<String>();
// 向 ConcurrentSkipListSet 添加元素
set.add("Element1");
set.add("Element2");
set.add("Element3");
// 打印 ConcurrentSkipListSet
System.out.println("ConcurrentSkipListSet: " + set);
}
}
8.ArrayBlockingQueue 阻塞隊(duì)列 (基于數(shù)組)
ArrayBlockingQueue 是 Java 并發(fā)包的一部分，它是一個基于數(shù)組的有界阻塞隊(duì)列。此隊(duì)列按 FIFO（先進(jìn)先出）原則對元素進(jìn)行排序。
ArrayBlockingQueue 在嘗試插入元素到已滿隊(duì)列或從空隊(duì)列中移除元素時，會導(dǎo)致線程阻塞，直到有空間或元素可用。
基于數(shù)組實(shí)現(xiàn)的可阻塞隊(duì)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。
乍一看會有點(diǎn)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
示例
import java.util.concurrent.*;
public class ArrayBlockingQueueExample {
public static void main(String[] args) {
// 創(chuàng)建一個 ArrayBlockingQueue
ArrayBlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<String>(3);
// 向 ArrayBlockingQueue 添加元素
try {
queue.put("Element1");
queue.put("Element2");
queue.put("Element3");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 打印 ArrayBlockingQueue
System.out.println("ArrayBlockingQueue: " + queue);
}
}
9.LinkedBlockingQueue 阻塞隊(duì)列 (基于鏈表)
LinkedBlockingQueue 是 Java 并發(fā)包的一部分，它是一個基于鏈表的可選有界阻塞隊(duì)列。此隊(duì)列按照 FIFO（先進(jìn)先出）的原則對元素進(jìn)行排序。
LinkedBlockingQueue 在嘗試插入元素到已滿隊(duì)列或從空隊(duì)列中移除元素時，會導(dǎo)致線程阻塞，直到有空間或元素可用。
基于鏈表實(shí)現(xiàn)的阻塞隊(duì)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。
示例
import java.util.concurrent.*;
public class LinkedBlockingQueueExample {
public static void main(String[] args) {
// 創(chuàng)建一個 LinkedBlockingQueue
LinkedBlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<String>(3);
// 向 LinkedBlockingQueue 添加元素
try {
queue.put("Element1");
queue.put("Element2");
queue.put("Element3");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 打印 LinkedBlockingQueue
System.out.println("LinkedBlockingQueue: " + queue);
}
}
10.LinkedBlockingDeque 阻塞隊(duì)列 (基于雙向鏈表)
LinkedBlockingDeque 是 Java 并發(fā)包的一部分，它是一個基于鏈表的可選有界阻塞雙端隊(duì)列。此隊(duì)列按照 FIFO（先進(jìn)先出）的原則對元素進(jìn)行排序。
LinkedBlockingDeque 在嘗試插入元素到已滿隊(duì)列或從空隊(duì)列中移除元素時，會導(dǎo)致線程阻塞，直到有空間或元素可用。雙端隊(duì)列的優(yōu)勢在于可以從兩端插入或移除元素。
類似 LinkedBlockingQueue，但提供了雙向鏈表特有的操作。
示例
import java.util.concurrent.*;
public class LinkedBlockingDequeExample {
public static void main(String[] args) {
// 創(chuàng)建一個 LinkedBlockingDeque
LinkedBlockingDeque<String> deque = new LinkedBlockingDeque<String>(3);
// 向 LinkedBlockingDeque 添加元素
try {
deque.putFirst("Element1");
deque.putLast("Element2");
deque.putFirst("Element3");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 打印 LinkedBlockingDeque
System.out.println("LinkedBlockingDeque: " + deque);
}
}
11.PriorityBlockingQueue 線程安全的優(yōu)先隊(duì)列
PriorityBlockingQueue 是 Java 并發(fā)包的一部分，它是一個無界的并發(fā)隊(duì)列。它使用了和類 java.util.PriorityQueue 一樣的排序規(guī)則，并且能夠確保在并發(fā)環(huán)境下的線程安全。
PriorityBlockingQueue 中的元素按照自然順序或者由比較器提供的順序進(jìn)行排序。隊(duì)列不允許使用 null 元素。
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(fèi)。某些低優(yōu)先級的元素可能長期無法被消費(fèi)，因?yàn)椴粩嘤懈邇?yōu)先級的元素進(jìn)來。
示例
import java.util.concurrent.*;
public class PriorityBlockingQueueExample {
public static void main(String[] args) {
// 創(chuàng)建一個 PriorityBlockingQueue
PriorityBlockingQueue<String> queue = new PriorityBlockingQueue<String>();
// 向 PriorityBlockingQueue 添加元素
queue.add("Element1");
queue.add("Element2");
queue.add("Element3");
// 打印 PriorityBlockingQueue
System.out.println("PriorityBlockingQueue: " + queue);
}
}
12.SynchronousQueue 數(shù)據(jù)同步交換的隊(duì)列
SynchronousQueue 是 Java 并發(fā)包的一部分，它是一個不存儲元素的阻塞隊(duì)列。每一個 put 操作必須等待一個 take 操作，否則不能繼續(xù)添加元素，反之亦然。
這種特性使 SynchronousQueue 成為線程之間傳遞數(shù)據(jù)的好工具。它可以看作是一個傳球手，負(fù)責(zé)把生產(chǎn)者線程處理的數(shù)據(jù)直接傳遞給消費(fèi)者線程。
一個虛假的隊(duì)列，因?yàn)樗鼘?shí)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。
示例
import java.util.concurrent.SynchronousQueue;
public class Main {
public static void main(String[] args) {
SynchronousQueue<Integer> queue = new SynchronousQueue<>();
new Thread(()->{
try{
for(int i=0;;i++){
System.out.println("放入：" + i);
queue.put(i);
}
}catch (InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}
}).start();
new Thread(()->{
try{
while(true){
System.out.println("取出：" + queue.take());
Thread.sleep((long)(Math.random()*2000));
}
}catch (InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}
}).start();
}
}
運(yùn)行結(jié)果：
取出：0 放入：0 取出：1 放入：1 放入：2 取出：2 取出：3 放入：3 取出：4 放入：4 ... ...
可以看到，寫入的線程沒有任何 sleep，可以說是全力往隊(duì)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。
13.LinkedTransferQueue 基于鏈表的數(shù)據(jù)交換隊(duì)列
LinkedTransferQueue 是 Java 并發(fā)包的一部分，它是一個由鏈表結(jié)構(gòu)組成的無界轉(zhuǎn)移阻塞隊(duì)列。隊(duì)列按照 FIFO（先進(jìn)先出）的原則對元素進(jìn)行排序。
LinkedTransferQueue 的一個特性是，它可以嘗試將元素直接轉(zhuǎn)移給消費(fèi)者，如果沒有等待的消費(fèi)者，元素就會被添加到隊(duì)列的尾部，等待消費(fèi)者來獲取。
實(shí)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(fèi)，那么會把這個元素放到隊(duì)列尾部，并且此方法阻塞直到有人讀取這個元素。和 SynchronousQueue 有點(diǎn)像，但比它更強(qiáng)大。
示例
import java.util.concurrent.*;
public class LinkedTransferQueueExample {
public static void main(String[] args) {
// 創(chuàng)建一個 LinkedTransferQueue
LinkedTransferQueue<String> queue = new LinkedTransferQueue<String>();
// 啟動一個新線程來從 LinkedTransferQueue 取出元素
new Thread(() -> {
try {
System.out.println("Taken: " + queue.take());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
// 向 LinkedTransferQueue 添加一個元素
try {
queue.transfer("Element");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
14.DelayQueue 延時隊(duì)列
DelayQueue 是 Java 并發(fā)包的一部分，它是一個無界阻塞隊(duì)列，只有在延遲期滿時才能從中提取元素。此隊(duì)列的頭部是延遲期滿后保存時間最長的元素。如果延遲都還沒有期滿，則隊(duì)列沒有頭部，并且 poll 將返回 null。
元素在 DelayQueue 中的順序是按照其到期時間的先后順序進(jìn)行排序的，越早到期的元素越排在隊(duì)列前面。延遲隊(duì)列常用于實(shí)現(xiàn)定時任務(wù)功能。
可以使放入隊(duì)列的元素在指定的延時后才被消費(fèi)者取出，元素需要實(shí)現(xiàn) Delayed 接口。
示例
import java.util.concurrent.*;
public class DelayQueueExample {
public static void main(String[] args) {
// 創(chuàng)建一個 DelayQueue
DelayQueue<DelayedElement> queue = new DelayQueue<DelayedElement>();
// 向 DelayQueue 添加一個元素，延遲 3 秒
queue.put(new DelayedElement(3000, "Element"));
// 從 DelayQueue 獲取元素
try {
DelayedElement element = queue.take();
System.out.println("Taken: " + element);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
class DelayedElement implements Delayed {
private long delayTime; // 延遲時間
private long expire; // 到期時間
private String element; // 元素數(shù)據(jù)
public DelayedElement(long delay, String element) {
this.delayTime = delay;
this.element = element;
this.expire = System.currentTimeMillis() + delay;
}
@Override
public long getDelay(TimeUnit unit) {
return unit.convert(expire - System.currentTimeMillis(), TimeUnit.MILLISECONDS);
}
@Override
public int compareTo(Delayed o) {
return (int) (this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS) - o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS));
}
@Override
public String toString() {
return element;
}
}
總結(jié)
從上面的介紹總總結(jié)有以下幾種容器類
-
ConcurrentHashMap：并發(fā)版 HashMap
-
CopyOnWriteArrayList：并發(fā)版 ArrayList
-
CopyOnWriteArraySet：并發(fā) Set
-
ConcurrentLinkedQueue：并發(fā)隊(duì)列 (基于鏈表)
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ConcurrentLinkedDeque：并發(fā)隊(duì)列 (基于雙向鏈表)
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ConcurrentSkipListMap：基于跳表的并發(fā) Map
-
ConcurrentSkipListSet：基于跳表的并發(fā) Set
-
ArrayBlockingQueue：阻塞隊(duì)列 (基于數(shù)組)
-
LinkedBlockingQueue：阻塞隊(duì)列 (基于鏈表)
-
LinkedBlockingDeque：阻塞隊(duì)列 (基于雙向鏈表)
-
PriorityBlockingQueue：線程安全的優(yōu)先隊(duì)列
-
SynchronousQueue：讀寫成對的隊(duì)列
-
LinkedTransferQueue：基于鏈表的數(shù)據(jù)交換隊(duì)列
-
DelayQueue：延時隊(duì)列
Java 并發(fā)容器為處理多線程環(huán)境下的數(shù)據(jù)訪問和修改提供了強(qiáng)大的工具。
通過了解和學(xué)習(xí)這些并發(fā)容器，我們可以更好地理解并發(fā)編程，更有效地處理并發(fā)問題。
無論你是正在學(xué)習(xí) Java，還是已經(jīng)在使用 Java 進(jìn)行開發(fā)，我都強(qiáng)烈建議你深入了解這些并發(fā)容器，它們將在你的并發(fā)編程之路上起到重要的作用。
