java高并发编程（四）高并发的一些容器

摘抄自马士兵java并发视频课程；

一、需求背景：　　　　　　　　　　

有N张火车票，每张票都有一个编号，同时有10个窗口对外售票， 请写一个模拟程序。

分析下面的程序可能会产生哪些问题？重复销售？超量销售？

/**
 * 有N张火车票，每张票都有一个编号
 * 同时有10个窗口对外售票
 * 请写一个模拟程序
 * 
 * 分析下面的程序可能会产生哪些问题？
 * 重复销售？超量销售？
 * 
 * @author 马士兵
 */
package yxxy.c_024;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class TicketSeller1 {
    static List<String> tickets = new ArrayList<>();
    
    static {
        for(int i=0; i<10000; i++) tickets.add("票编号：" + i);
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        for(int i=0; i<10; i++) {
            new Thread(()->{
                while(tickets.size() > 0) {
                    System.out.println("销售了--" + tickets.remove(0));
                }
            }).start();
        }
    }
}

 可能卖重；一张票可能对多个线程同时remove(0),所以可能一张票被卖出去多次；也可能最后一张票的时候都被多个线程remove(),程序会报错，总之，不加锁是不行的。

ArrayList不是同步的，remove、add等各种方法全都不是同步的；一定会出问题；

二、使用Vector　　　　　　　　　　

/**
 * 使用Vector或者Collections.synchronizedXXX
 * 分析一下，这样能解决问题吗？
 * 
 * @author 马士兵
 */
package yxxy.c_024;

import java.util.Vector;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class TicketSeller2 {
    static Vector<String> tickets = new Vector<>();
    
    static {
        for(int i=0; i<1000; i++) tickets.add("票 编号：" + i);
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        
        for(int i=0; i<10; i++) {
            new Thread(()->{
                while(tickets.size() > 0) {
                    
                    try {
                        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    
                    System.out.println("销售了--" + tickets.remove(0));
                }
            }).start();
        }
    }
}

Vector是一个同步容器，所有的方法都是加锁的；

虽然说在Vector里面remove方法是原子的，但是while条件中判断和remove是分离的；如果在while条件和remove之间被打断的话，问题依旧；（假设剩下最后一张票，多个线程争抢同一张票，每一个线程判断的size大于0，虽然size和remove都是原子性的，但是在判断和remove中间的这段过程中，还是可能被打断，A线程判断了size>0,还没有remove的时候被打断了，B线程把票拿走了，A线程继续往下执行的时候再remove就出问题了。）

所以只是把List换成同步容器Vector，问题依旧；

三、使用synchronized加锁：

/**
 * 就算操作A和B都是同步的，但A和B组成的复合操作也未必是同步的，仍然需要自己进行同步
 * 就像这个程序，判断size和进行remove必须是一整个的原子操作
 * 
 * @author 马士兵
 */
package yxxy.c_024;

import java.util.LinkedList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class TicketSeller3 {
    static List<String> tickets = new LinkedList<>();
    
    
    static {
        for(int i=0; i<1000; i++) tickets.add("票 编号：" + i);
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        
        for(int i=0; i<10; i++) {
            new Thread(()->{
                while(true) {
                    synchronized(tickets) {
                        if(tickets.size() <= 0) break;
                        
                        try {
                            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(10);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                        
                        System.out.println("销售了--" + tickets.remove(0));
                    }
                }
            }).start();
        }
    }
}

相当于把判断和销售都加到了一个原子操作里去了；可以解决问题；

不过加锁后效率并不是很高；每销售一张票的时候都要把整个队列tickets锁定；

 

四、使用ConcurrentLinkedQueue提供并发性

/**
 * 使用ConcurrentQueue提高并发性
 * 
 * @author 马士兵
 */
package yxxy.c_024;

import java.util.Queue;
import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;

public class TicketSeller4 {
    static Queue<String> tickets = new ConcurrentLinkedQueue<>();
    
    static {
        for(int i=0; i<1000; i++) tickets.add("票 编号：" + i);
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        
        for(int i=0; i<10; i++) {
            new Thread(()->{
                while(true) {
                    String s = tickets.poll();
                    if(s == null) {
                        break;
                    }else {
                        System.out.println("销售了--" + s);
                    }
                }
            }).start();
        }
    }
}

 

这里面没有加锁，同样的也有判断，但是这个不会出问题；为什么？

因为在做了s==null判断后，再也没有对队列进行修改操作；（上个程序都是做了判断之后，需要对队列进行修改操作remove一下）

假如A线程执行完String s = tickets.poll()，还没有来得及执行if(s==null) break就被打断了，另外一个线程把队列拿空了，大不了while(true)返过头来再拿一遍得到null，所以不会出问题；

 

 

五、ConcurrentHashMap

/**
 * http://blog.csdn.net/sunxianghuang/article/details/52221913 
 * http://www.educity.cn/java/498061.html
 * 阅读concurrentskiplistmap
 */
package yxxy.c_025;

import java.util.Arrays;
import java.util.Hashtable;
import java.util.Map;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.ConcurrentSkipListMap;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class T01_ConcurrentMap {
    public static void main(String[] args) {
//        Map<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();
        Map<String, String> map = new ConcurrentSkipListMap<>(); //高并发并且排序
        
//        Map<String, String> map = new Hashtable<>();
        //Map<String, String> map = new HashMap<>(); //Collections.synchronizedXXX
        //TreeMap
        Random r = new Random();
        Thread[] ths = new Thread[100];
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(ths.length);
        long start = System.currentTimeMillis();
        for(int i=0; i<ths.length; i++) {
            ths[i] = new Thread(()->{
                for(int j=0; j<10000; j++) map.put("a" + r.nextInt(100000), "a" + r.nextInt(100000));
                latch.countDown();
            });
        }
        
        Arrays.asList(ths).forEach(t->t.start());
        try {
            latch.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(end - start);
    }
}

不同的Map容器执行完这段代码的时间：

HashTable：445；

ConcurrentHashMap：402；

 

多线程的环境下ConcurrentHashMap的效率要比hashTable高一些，高在哪？

hashTable往里加任何一个数据的时候，都是要锁定整个hashTable对象，而concurrentHashMap默认的是把容器分成16段，每次往里插数据的时候只锁定16段其中的一个部分；把锁细化了；当很多线程共同往里插数据的时候，线程A插的是其中一段，线程B是往另一段里插，那么这两个线程就可以同时并发的往里插；因此多线程环境下要比hashTable高；

 

ConcurrentSkipListMap：是支持排序的，所以插入的时候慢了一些；

Collections.synchronizedList/Collections.synchronizedMap(Map<K, V>)：往里面传一个不加锁的Map，将它包装一下，返回一个加了锁的Map;

 

注：以上所有的map，都可以换成set；因为set只是使用了map的key。

 

 

六、CopyOnWriteList：

/**
 * 写时复制容器 copy on write
 * 多线程环境下，写时效率低，读时效率高
 * 适合写少读多的环境
 * @author 马士兵
 */
package yxxy.c_025;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
import java.util.List;
import java.util.Random;
import java.util.Vector;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;

public class T02_CopyOnWriteList {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> lists = 
                //new ArrayList<>(); //这个会出并发问题！
                //new Vector();
                new CopyOnWriteArrayList<>();
        Random r = new Random();
        Thread[] ths = new Thread[100];
        
        for(int i=0; i<ths.length; i++) {
            Runnable task = new Runnable() {
    
                @Override
                public void run() {
                    for(int i=0; i<1000; i++) lists.add("a" + r.nextInt(10000));
                }
                
            };
            ths[i] = new Thread(task);
        }
        
        runAndComputeTime(ths);
        
        System.out.println(lists.size());
    }
    
    static void runAndComputeTime(Thread[] ths) {
        long s1 = System.currentTimeMillis();
        Arrays.asList(ths).forEach(t->t.start());
        Arrays.asList(ths).forEach(t->{
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        long s2 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(s2 - s1);
    }
}

CopyOnWriteList：写时复制容器，这个容器当你往里要添加一个元素的时候，他会把这个容器复制一份，在后面加一新的数据，然后把引用指向新的容器；写时复制有什么好处？对于那些从里往外读数据的线程来说再也不用加锁了，因为读的时候引用指向新的容器了，再读的时候是从新的引用里读；

（读需要加锁的情况下，是出现脏读的情况下才需要加锁；CopyOnWriteList是不可能出现脏读的，他前后数据一定是一致的，没有中间状态；因为它在新的复制一份的里面做更改，更改完了以后马上把引用指向新的，这是一个原子性操作，所以他不会出现脏读的情况，因此不需要加锁。）

写的特别少，但是往外读特别多的时候使用CopyOnWriteList；

 

七、ConcurrentLinkedQueue：

package yxxy.c_025;

import java.util.Queue;
import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;

public class T04_ConcurrentQueue {
    public static void main(String[] args) {
        Queue<String> strs = new ConcurrentLinkedQueue<>();
        
        for(int i=0; i<10; i++) {
            strs.offer("a" + i);  //add
        }
        
        System.out.println(strs);
        
        System.out.println(strs.size());
        
        System.out.println(strs.poll());
        System.out.println(strs.size());
        
        System.out.println(strs.peek());
        System.out.println(strs.size());
        
        //双端队列Deque
    }
}

console：

[a0, a1, a2, a3, a4, a5, a6, a7, a8, a9]
10
a0
9
a1
9

Queue：队列，在并发容器里面最重要的也是应用的最多的容器；有很多种实现，ConcurrentLinkedQueue，BlockingQueue；

常见操作：

offer: 类似于add方法，但是add方法加的时候会出问题，如果有容量的限制话add就会抛异常；offer不会抛异常，返回值boolean代表是否加成功；

poll(): 从头部拿出来一个元素，同时把原来的删掉；

peek(): 从头部拿出来一个，但是原来的不删；

 

 

八、LinkedBlockingQueue和ArrayBlockingQueue

LinkedBlockingQueue实现的一个简单的生产者消费者程序：

package yxxy.c_025;

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class T05_LinkedBlockingQueue {

    static BlockingQueue<String> strs = new LinkedBlockingQueue<>();

    static Random r = new Random();

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                try {
                    strs.put("a" + i); //如果满了，就会等待
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(r.nextInt(1000));
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }, "p1").start();

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (;;) {
                    try {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " take -" + strs.take()); //如果空了，就会等待
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }, "c" + i).start();

        }
    }
}

Queue在高并发的情况下可以使用两种队列：

ConcurrentLinkedQueue：内部加锁的

BlockingQueue：阻塞式队列，如LinkedBlockingQueue，ArrayBlockingQueue。阻塞式的意思是，生产者消费者模式中生产者已经生产满了直接等待wait，消费如果空了消费者就会直接等待。

LinkedBockingQueue是链表实现的阻塞式容器，是无界队列（往里扔多少个元素都可以，内存满足的情况下）

ArrayBlockingQueue：有界队列

 

package yxxy.c_025;

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class T06_ArrayBlockingQueue {

    static BlockingQueue<String> strs = new ArrayBlockingQueue<>(10); //有界队列，最多装10个元素

    static Random r = new Random();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            strs.put("a" + i);
        }
        
        strs.put("aaa"); //满了就会等待，程序阻塞,无限制的阻塞下去
        //strs.add("aaa");  //报异常，Queue full
        //strs.offer("aaa"); //不会报异常，但是加不进去；boolean带表是否加成功；这是add和offer的区别 
        //strs.offer("aaa", 1, TimeUnit.SECONDS); //1s钟之后加不进去就加不进了；按时间段阻塞
        
        System.out.println(strs);
    }
}

九、DelayQueue·：　　　　　　

package yxxy.c_025;

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.DelayQueue;
import java.util.concurrent.Delayed;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class T07_DelayQueue {

    static BlockingQueue<MyTask> tasks = new DelayQueue<>();

    static Random r = new Random();
    
    static class MyTask implements Delayed {
        long runningTime;
        
        MyTask(long rt) {
            this.runningTime = rt;
        }

        @Override
        public int compareTo(Delayed o) {
            if(this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS) < o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS))
                return -1;
            else if(this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS) > o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS)) 
                return 1;
            else 
                return 0;
        }

        @Override
        public long getDelay(TimeUnit unit) {
            return unit.convert(runningTime - System.currentTimeMillis(), TimeUnit.MILLISECONDS);
        }
        
        @Override
        public String toString() {
            return "" + runningTime;
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        long now = System.currentTimeMillis();
        MyTask t1 = new MyTask(now + 1000);
        MyTask t2 = new MyTask(now + 2000);
        MyTask t3 = new MyTask(now + 1500);
        MyTask t4 = new MyTask(now + 2500);
        MyTask t5 = new MyTask(now + 500);
        
        tasks.put(t1);
        tasks.put(t2);
        tasks.put(t3);
        tasks.put(t4);
        tasks.put(t5);
        
        System.out.println(tasks);
        
        for(int i=0; i<5; i++) {
            System.out.println(tasks.take());
        }
    }
}

console：

[1534606492700, 1534606493200, 1534606493700, 1534606494700, 1534606494200]
1534606492700
1534606493200
1534606493700
1534606494200
1534606494700

 

DelayQueue：无界队列，加进去的每一个元素，如果理解为一个任务的话，这个元素什么时候可以让消费者往外拿呢？每一个元素记载着我还有多长时间可以从队列中被消费者拿走；这个队列默认是排好顺序的，等待的时间最长的排在最前面，先往外拿；

DelayQueue往里添加的元素是要实现Delayed接口;

可以用来执行定时任务；

 

十、TransferQueue:　　

TransferQueue：提供了transfer方法，一般是这种情形，有一个队列，消费者线程先启动，然后生产者生产一个东西的时候不是往队列里头仍，它首先去找有没有消费者，如果有消费者，生产的东西不往队列里扔了而是直接给消费者消费；如果没有消费者的话，调用transfer线程就会阻塞；

 

比如场景：坦克大战中多个坦克客户端链接服务器，坦克A移动了，服务端需要把A移动的位置消息发送给其他客户端，服务端存在一个消息队列，消息都交给不同的线程处理，有一种是都往消息队列里扔，然后再往外拿，不过这种太慢了；假如有一大推消费者线程等着，那么直接把消息扔给消费者线程就行了，不要再往队列里扔了，效率会更高一些；所以TransferQueue是用在更高的并发的情况下。

 

例子程序：

1.先起消费者，在起生产者transfer，程序正常：

package yxxy.c_025;

import java.util.concurrent.LinkedTransferQueue;

public class T08_TransferQueue {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        LinkedTransferQueue<String> strs = new LinkedTransferQueue<>();
        
        new Thread(() -> {
            try {
                System.out.println(strs.take());
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
        
        strs.transfer("aaa");
    }
}

2.如果先起生产者transfer，然后再起消费者take，程序就会阻塞住了：

package yxxy.c_025;

import java.util.concurrent.LinkedTransferQueue;

public class T08_TransferQueue {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        LinkedTransferQueue<String> strs = new LinkedTransferQueue<>();
        
        strs.transfer("aaa");

        new Thread(() -> {
            try {
                System.out.println(strs.take());
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
    }
}

3.如果transfer换成put（或者add、offer），也不会有问题，因为不会阻塞：

package yxxy.c_025;

import java.util.concurrent.LinkedTransferQueue;

public class T08_TransferQueue {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        LinkedTransferQueue<String> strs = new LinkedTransferQueue<>();
        
        //strs.transfer("aaa");
        
        strs.put("aaa");

        new Thread(() -> {
            try {
                System.out.println(strs.take());
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
    }
}

十一、SynchronousQueue　　

package yxxy.c_025;

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.SynchronousQueue;

public class T09_SynchronusQueue { //容量为0
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        BlockingQueue<String> strs = new SynchronousQueue<>();
        
        new Thread(()->{
            try {
                System.out.println(strs.take());
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
        
        strs.put("aaa"); //阻塞等待消费者消费
        //strs.add("aaa");
        System.out.println(strs.size());
    }
}

SynchronousQueue：同步队列，一种特殊的transferQueue，前面说的TransferQueue如果生产者生产了东西，这时候没有消费者，如果使用put/add，还可以扔到队列里，这个队列还是有一定的容量的；

而SynchronousQueue叫做没有容量的队列，容量为0，生产者生产的东西必须马上消费掉，如果不消费掉就会出问题；调add抛异常（Queue full），调put程序阻塞；

 

 总结：

总结：
1：对于map/set的选择使用
HashMap       不需要多线程的情况下使用
TreeMap       不需要多线程的情况下使用
LinkedHashMap 不需要多线程的情况下使用

Hashtable     并发量比较小                            
Collections.sychronizedXXX  并发量比较小   

ConcurrentHashMap       高并发
ConcurrentSkipListMap   高并发同时要求排好顺序

2：队列
ArrayList        不需要同步的情况
LinkedList      不需要同步的情况
Collections.synchronizedXXX  并发量低
Vector                            并发量低
CopyOnWriteList              写的时候少，读时候多
Queue
    CocurrentLinkedQueue //concurrentArrayQueue    高并发队列
    BlockingQueue                                        阻塞式
        LinkedBQ    无界
        ArrayBQ     有界
        TransferQueue   直接给消费者线程，如果没有消费者阻塞
        SynchronusQueue  特殊的transferQueue,容量0
    DelayQueue执行定时任务