java 线程 同步类容器和并发类容器

  • 同步类容器都是线程安全的,比如Vector,HashTable,这些容器的同步功能其实是由Collections.Synchronized.**等工厂方法去创建实现的,底层机制无非是用传统的synchronized关键字给每个公共方法进行同步,使得容器再同一时间只有一个线程访问,这些古老的同步类容器已经有点不适应当今的高并发互联网需求
  • 某些场景下可能要加锁来保护复合类操作,复合类操作,比如:迭代,跳转(按指定顺序查找当前元素的下一元素),以及条件运算,这些复合操作在多线程并发的修改容器时,可能会出现意外的行为,比如ConcurrentModificationExcepiton,当容器迭代的过程中,被其他线程并发的修改了内容,这是因为早期设计迭代器的时候,并没有考虑到并发修改的问题
  • 单独的并发修改,比如remove还是线程安全的:
public class Tickets {

    public static void main(String[] args) {
        //初始化火车票池并添加火车票:避免线程同步可采用Vector替代ArrayList  HashTable替代HashMap
        
        final Vector<String> tickets = new Vector<String>();
        // 被Collections.synchronized**处理之后,map现在是线程安全的
        //Map<String, String> map = Collections.synchronizedMap(new HashMap<String, String>());

        for(int i = 1; i<= 1000; i++){
            tickets.add("火车票"+i);
        }
        
//      for (Iterator iterator = tickets.iterator(); iterator.hasNext();) {
//          String string = (String) iterator.next();
//          tickets.remove(20);
//      }
        //单独的并发修改,比如remove还是线程安全的 ,remov并不是复合类操作
        for(int i = 1; i <=10; i ++){
            new Thread("线程"+i){
                public void run(){
                    while(true){
                        if(tickets.isEmpty()) break;
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "---" + tickets.remove(0));
                    }
                }
            }.start();
        }
    }
}

  • jdk5.0之后提供多种并发类容器来替代同步类容器来提高从而改善性能,同步类容器都是串行化的,多线程环境时,严重降低应用程序的吞吐量

    • ConcurrentMap容器

      • ConcurrentHashMap
        对应的非并发容器:HashMap
        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”,减小锁的粒度,JDK8中采用CAS无锁算法,详细分析推荐阅读[【JDK】:ConcurrentHashMap高并发机制——【转载】(http://blog.csdn.net/u011080472/article/details/51392712)。

      • ConcurrentSkipListMap
        对应的非并发容器:TreeMap
        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。Skip list让已排序的数据分布在多层链表中,以0-1随机数决定一个数据的向上攀升与否,通过”空间来换取时间”的一个算法。ConcurrentSkipListMap提供了一种线程安全的并发访问的排序映射表。内部是SkipList(跳表)结构实现,在理论上能够在O(log(n))时间内完成查找、插入、删除操作。

    • CopyOnWrite容器,读写分离思想,适用于读多写少的场景,如果写多的话,可以使用synchronized锁

      • CopyOnWriteArrayList
        对应的非并发容器:ArrayList
        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。关于这一部分可参考【JDK】:CopyOnWriteArrayList、CopyOnWriteArraySet 源码解析
      • CopyOnWriteArraySet
        对应的费并发容器:HashSet
        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。
        关于这一部分可参考【JDK】:CopyOnWriteArrayList、CopyOnWriteArraySet 源码解析
    • 有序set

      • ConcurrentSkipListSet
        对应的非并发容器:TreeSet
        目标:代替synchronizedSortedSet
        原理:内部基于ConcurrentSkipListMap实现
    • 队列

      • ConcurrentLinkedQueue,高并发无界队列,不允许null
        不会阻塞的队列
        对应的非并发容器:Queue
        原理:基于链表实现的FIFO队列(LinkedList的并发版本)
        add()和offer()都是添加元素,在此queue中没有任何区别
        poll()和peek()都是取第一个元素,前者会删除元素,后者不会

      • LinkedBlockingQueue、ArrayBlockingQueue、PriorityBlockingQueue,阻塞队列
        对应的非并发容器:BlockingQueue
        特点:拓展了Queue,增加了可阻塞的插入和获取等操作
        原理:通过ReentrantLock实现线程安全,通过Condition实现阻塞和唤醒
        实现类:
        LinkedBlockingQueue:基于链表实现的可阻塞的FIFO队列,无界队列
        ArrayBlockingQueue:基于数组实现的可阻塞的FIFO队列,有界队列
        PriorityBlockingQueue:按优先级排序的队列,元素必须实现comparable接口,判断优先级,无界队列,注意循环或者迭代该queue的时候,表现形式并不是优先级从高到底,而是执行take方法的时候,执行compare方法,有点懒加载的意思
        SynchronousQueue:没有没有缓冲的队列,Java 6的并发编程包中的SynchronousQueue是一个没有数据缓冲的BlockingQueue,生产者线程对其的插入操作put必须等待消费者的移除操作take,反过来也一样。不像ArrayBlockingQueue或LinkedListBlockingQueue,SynchronousQueue内部并没有数据缓存空间,你不能调用peek()方法来看队列中是否有数据元素,因为数据元素只有当你试着取走的时候才可能存在,不取走而只想偷窥一下是不行的,当然遍历这个队列的操作也是不允许的。队列头元素是第一个排队要插入数据的线程,而不是要交换的数据。数据是在配对的生产者和消费者线程之间直接传递的,并不会将数据缓冲数据到队列中。可以这样来理解:生产者和消费者互相等待对方,握手,然后一起离开。先有take,后有add。
        DelayQueue:带有延迟时间的queue,当延迟时间到了的时候,才能从队列里toke到该元素,必须实现Delayed接口,无界队列,

    • Deque 双端队列(double ended queue)

      • LinkedBlockingDeque:线程安全的双端队列实现,并未实现读写分离,同一时间只能有一个线程对其进行操作,在高并发应用场景中性能要低于其他阻塞队列。
  • 并发容器代码示例

import java.util.Iterator;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

public class UseConcurrentMap {
    public static void main(String[] args) {
        ConcurrentHashMap<String, Object> chm = new ConcurrentHashMap<String, Object>();
        chm.put("k1", "v1");
        chm.put("k2", "v2");
        chm.put("k3", "v3");
                //如果key不存在则添加
        chm.putIfAbsent("k4", "vvvv");
        //System.out.println(chm.get("k2"));
        //System.out.println(chm.size());
        
        for(Map.Entry<String, Object> me : chm.entrySet()){
            System.out.println("key:" + me.getKey() + ",value:" + me.getValue());
        }
    }
}
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