Java并发容器类综述

0) 出现原因:

   起初在对程序性能要求不高的年代,基本都是单线程编程,那个时候CPU基本是单核,随着计算机硬件技术的发展,出现了多核CPU,过去的单核编程已经不能更好的使用我们的CPU核心数目,加上对程序的速度性能的要求的提高,出现了并发编程技术. 单核程序的性能的瓶颈就是频繁的上下文切换，那么我们就可以通过减少上下文的切换来提高性能。让更多的CPU协同 异步工作.

1）发展过程：

        Java在 Java5 添加的一个并发工具包。这个包包含了一系列能够让 Java 的并发编程变得更加简单轻松的类。在这之前，你需要自己手动去实现相关的工具类. 是以工具类的形式提供 包路径为  java.util.concurrent

        提供的类:

• 阻塞队列 BlockingQueue
• 数组阻塞队列 ArrayBlockingQueue
• 延迟队列 DelayQueue
• 链阻塞队列 LinkedBlockingQueue
• 具有优先级的阻塞队列 PriorityBlockingQueue
• 同步队列 SynchronousQueue
• 阻塞双端队列 BlockingDeque
• 链阻塞双端队列 LinkedBlockingDeque
• 并发 Map ConcurrentMap
• 并发导航映射 ConcurrentNavigableMap
• 闭锁 ConutDownLatch
• 栅栏 CyclicBarrier
• 交换机 Exchanger
• 信号量 Semaphore
• 执行器服务 ExecutorService
• 线程池执行者 ThreadPoolExecutor
• 定时执行者服务 ScheduledExecutorService
• 使用 ForkJoinPool 进行分叉和合并
• 锁 Lock
• 读写锁 ReadWriteLock
• 原子性布尔 AtomicBoolean
• 原子性整型 AtomicInteger
• 原子性长整型 AtomicLong
• 原子性引用型 AtomicReference

      我们选择常用的进行概述.

2）必要理论知识

悲观锁
总是假设最坏的情况，每次去拿数据的时候都认为别人会修改，所以每次在拿数据的时候都会上锁，这样别人想拿这个数据就会阻塞直到它拿到锁（共享资源每次只给一个线程使用，其它线程阻塞，用完后再把资源转让给其它线程）。传统的关系型数据库里边就用到了很多这种锁机制，比如行锁，表锁等，读锁，写锁等，都是在做操作之前先上锁。Java中synchronized和ReentrantLock等独占锁就是悲观锁思想的实现。

乐观锁
总是假设最好的情况，每次去拿数据的时候都认为别人不会修改，所以不会上锁，但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据，可以使用版本号机制和CAS算法实现。乐观锁适用于多读的应用类型，这样可以提高吞吐量，像数据库提供的类似于write_condition机制，其实都是提供的乐观锁。在Java中java.util.concurrent.atomic包下面的原子变量类就是使用了乐观锁的一种实现方式CAS实现的。

CAS是乐观锁技术，当多个线程尝试使用CAS同时更新同一个变量时，只有其中一个线程能更新变量的值，而其它线程都失败，失败的线程并不会被挂起，而是被告知这次竞争中失败，并可以再次尝试

3)  目前最新发展:

           Java类库中出现的第一个关联的集合类是 Hashtable ，它是JDK 1.0的一部分。 Hashtable 提供了一种易于使用的、线程安全的、关联的map功能，这当然也是方便的。然而，线程安全性是凭代价换来的―― Hashtable 的所有方法都是同步的。 此时，无竞争的同步会导致可观的性能代价。 Hashtable 的后继者 HashMap 是作为JDK1.2中的集合框架的一部分出现的，它通过提供一个不同步的基类和一个同步的包装器 Collections.synchronizedMap ，解决了线程安全性问题.

          但是: 其结果是尽管表面上这些程序在负载较轻的时候能够正常工作，但是一旦负载较重，它们就会开始抛出 NullPointerException 或 ConcurrentModificationException 异常

随后出现了 ConcurrentMap

ConcurrentMap 的实现

concurrent 包里面就一个类实现了 ConcurrentMap 接口

• ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap 和 HashTable 类很相似，但 ConcurrentHashMap 能提供比 HashTable 更好的并发性能。在你从中读取对象的时候，ConcurrentHashMap 并不会把整个 Map 锁住。此外，在你向其写入对象的时候，ConcurrentHashMap 也不会锁住整个 Map，它的内部只是把 Map 中正在被写入的部分锁定。
其实就是把 synchronized 同步整个方法改为了同步方法里面的部分代码。

另外一个不同点是，在被遍历的时候，即使是 ConcurrentHashMap 被改动，它也不会抛 ConcurrentModificationException。尽管 Iterator 的设计不是为多个线程同时使用。




使用例子:

public class ConcurrentHashMapExample {

    public static void main(String[] args) {
//        HashMap<String, String> map = new HashMap<>();
        ConcurrentHashMap<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();
        map.put("1", "a");
        map.put("2", "b");
        map.put("3", "c");
        map.put("4", "d");
        map.put("5", "e");
        map.put("6", "f");
        map.put("7", "g");
        map.put("8", "h");
        new Thread1(map).start();
        new Thread2(map).start();

    }

}

class Thread1 extends Thread {

    private final Map map;

    Thread1(Map map) {
        this.map = map;
    }

    @Override
    public void run() {
        super.run();
        try {
            Thread.sleep(20);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        map.remove("6");
    }
}

class Thread2 extends Thread {

    private final Map map;

    Thread2(Map map) {
        this.map = map;
    }

    @Override
    public void run() {
        super.run();
        Set set = map.keySet();
        for (Object next : set) {
            System.out.println(next + ":" + map.get(next));
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}复制代码

CopyOnWriteArrayList

在那些遍历操作大大地多于插入或移除操作的并发应用程序中，一般用 CopyOnWriteArrayList 类替代 ArrayList 。如果是用于存放一个侦听器（listener）列表，例如在AWT或Swing应用程序中，或者在常见的JavaBean中，那么这种情况很常见（相关的 CopyOnWriteArraySet 使用一个 CopyOnWriteArrayList 来实现 Set 接口） 。

原理实现:

如果您正在使用一个普通的 ArrayList 来存放一个侦听器列表，那么只要该列表是可变的，而且可能要被多个线程访问，您 就必须要么在对其进行迭代操作期间，要么在迭代前进行的克隆操作期间，锁定整个列表，这两种做法的开销都很大。当对列表执行会引起列表发生变化的操作时， CopyOnWriteArrayList 并不是为列表创建一个全新的副本，它的迭代器肯定能够返回在迭代器被创建时列表的状态，而不会抛出 ConcurrentModificationException 。在对列表进行迭代之前不必克隆列表或者在迭代期间锁 定列表，因为迭代器所看到的列表的副本是不变的。换句话说， CopyOnWriteArrayList 含有对一个不可变数组的一个可变的引用，因此，只要保留好那个引用，您就可以获得不可变的线程安全性的好处，而且不用锁 定列表。




4）目前最新应用情况:

以ConcurrentHashMap为例子:

jdk7版本

ConcurrentHashMap和HashMap设计思路差不多，但是为支持并发操作，做了一定的改进，ConcurrentHashMap引入Segment 的概念，目的是将map拆分成多个Segment(默认16个)。操作ConcurrentHashMap细化到操作某一个Segment。在多线程环境下，不同线程操作不同的Segment，他们互不影响，这便可实现并发操作

最新JDk8 实现:

jdk8版本的ConcurrentHashMap相对于jdk7版本，发送了很大改动，jdk8直接抛弃了Segment的设计，采用了较为轻捷的Node + CAS + Synchronized设计，保证线程安全。

ConcurrentHashMap结构图

看上图ConcurrentHashMap的大体结构，一个node数组，默认为16，可以自动扩展，扩展速度为0.75

private static finalint DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL = 16;
private static final float LOAD_FACTOR = 0.75f;

每一个节点，挂载一个链表，当链表挂载数据大于8时，链表自动转换成红黑树

static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;

部分代码:

public class ConcurrentHashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
    implements ConcurrentMap<K,V>, Serializable {
    transient volatile Node<K,V>[] table;
}

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final int hash;
        final K key;
        volatile V val;
        volatile Node<K,V> next;
}

static final class TreeNode<K,V> extends Node<K,V> {
        TreeNode<K,V> parent;  // red-black tree links
        TreeNode<K,V> left;
        TreeNode<K,V> right;
        TreeNode<K,V> prev;    // needed to unlink next upon deletion
        boolean red;
}

static final class TreeBin<K,V> extends Node<K,V> {
        TreeNode<K,V> root;
        volatile TreeNode<K,V> first;
        volatile Thread waiter;
        volatile int lockState;
 }