高并发编程基础（java.util.concurrent包常见类基础）

　　JDK5中添加了新的java.util.concurrent包，相对同步容器而言，并发容器通过一些机制改进了并发性能。因为同步容器将所有对容器状态的访问都串行化了，这样保证了线程的安全性，所以这种方法的代价就是严重降低了并发性，当多个线程竞争容器时，吞吐量严重降低。因此JDK5开始针对多线程并发访问设计，提供了并发性能较好的并发容器，引入了java.util.concurrent包。与Vector和Hashtable、Collections.synchronizedXxx()同步容器等相比，util.concurrent中引入的并发容器主要解决了两个问题：

1）根据具体场景进行设计，尽量避免synchronized，提供并发性。
2）定义了一些并发安全的复合操作，并且保证并发环境下的迭代操作不会出错。

这里先粗略的介绍下 concurrrent 包下面常见并发容器的简单应用，后续再针对性的去深入研究。

并发容器：

这些容器的关键方法大部分都实现了线程安全的功能，却不使用同步关键字(synchronized)。

 

常见阻塞队列：

　　BlockingQueue.class，阻塞队列接口

　　DelayQueue.class，阻塞队列，无界队列，并且元素是Delay的子类，保证元素在达到一定时间后才可以取得到

public class T07_DelayQueue {
	// 执行定时任务
	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;
			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());
		}
		
	}
}

　　

　　BlockingDeque.class，双端阻塞队列接口
　　ArrayBlockingQueue.class，阻塞队列，数组实现。有界阻塞队列

public class T06_ArrayBlockingQueue {
	// 阻塞队列
	static BlockingQueue<String> strs = new ArrayBlockingQueue<>(10);
	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.add("aaa");//Exception in thread "main" java.lang.IllegalStateException: Queue full
//		strs.put("aaa"); // 满了会等待 阻塞
//		strs.offer("aaa");//不会报异常 有返回值  true or false
//		strs.offer("aaa",1,TimeUnit.SECONDS); // 按照时间段阻塞
	}
}

　　LinkedBlockingDeque.class，阻塞双端队列，链表实现
　　LinkedBlockingQueue.class，阻塞队列，链表实现，无界，以下是该类对与生产者消费者模型的简单实现：

public class T05_LinkedBlockingQueue {
	// 阻塞队列
	static BlockingQueue<String> strs = new LinkedBlockingQueue<>();
	
	static Random r =new Random();
	//生产者消费者
	public static void main(String[] args) {
		new Thread(()->{
			for(int i=0;i<100;i++) {
				try {
					strs.put("a"+i);//如果满了就会等待阻塞
					System.err.println("a"+i);
					TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(r.nextInt(1000));
				} catch (InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
				}
			}
		},"p1").start();
		
		for(int i=0;i<5;i++) {
			new Thread(()->{
				while(true) {
					try {
						//take 如果空了 就会阻塞
						System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" take - "+ strs.take());
					} catch (InterruptedException e) {
						e.printStackTrace();
					}
				}
			},"c" +i).start();
		}
	}
}

　　
　　SynchronousQueue.class，同步队列，但是队列长度为0，生产者放入队列的操作会被阻塞，直到消费者过来取，所以这个队列根本不需要空间存放元素；有点像一个独木桥，一次只能一人通过，还不能在桥上停留

public class T09_SynchronousQueue {
	// 特殊的 transferQueue ，队列为空的
	//任何添加东西都要直接丢给消费者的，不会往队列里加的
	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"); // 报错
		System.out.println(strs.size());
	}		
}

 

常见非阻塞队列：

　　ConcurrentLinkedDeque.class，非阻塞双端队列，链表实现，无界队列
　　ConcurrentLinkedQueue.class，非阻塞队列，链表实现

public class T04_ConcurrentQueue {

	public static void main(String[] args) {
		Queue<String> strs = new ConcurrentLinkedQueue<>();
		Queue<String> strs2 = new ConcurrentLinkedDeque<>();//双端队列
		
		for(int i=0;i<10;i++) {
			// 根据返回值来判断是否添加成功
			strs.offer("a"+i);
		}
		
		System.out.println(strs);//[a0, a1, a2, a3, a4, a5, a6, a7, a8, a9]
		System.out.println(strs.size());// 10
		System.out.println(strs.poll());// a0
		System.out.println(strs.size());// 9
		System.out.println(strs.peek());// a1
		System.out.println(strs.size());// 9
	}
}

　

转移队列：

　　TransferQueue.class，转移队列接口，生产者要等消费者消费的队列，生产者尝试把元素直接转移给消费者
　　LinkedTransferQueue.class，转移队列的链表实现，它比SynchronousQueue更快，transfer 方法有客户端准备消费，直接把消息直接传递给消费者，不放到队列里，没有消费者线程的话该线程会阻塞。但是可以调用 add put 王队列里丢，队列还是有容量的。

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

　　

常见集合容器：

　　ConcurrentMap.class，并发Map的接口，定义了putIfAbsent(k,v)、remove(k,v)、replace(k,oldV,newV)、replace(k,v)这四个并发场景下特定的方法
　　ConcurrentHashMap.class，并发HashMap，ConcurrentHashMap在并发中效率比 HashTable高，因为 HashTable 在往里添加东西的时候药锁定整个对象，而 ConcurrentHashMap 分成了16段，插入的时候只锁定了其中的一段，其实就是把锁细粒度化了，因此在多线程情况下回比 hashTable高 ，同样也比 Collections.synchronizedMap(map1) 高。
　　ConcurrentSkipListMap.class，跳表数据结构，它也是NavigableMap的实现类（要求元素之间可以比较），只有你确实需要快速的遍历操作，并且可以承受额外的插入开销的时候，在高并发中要求排序才去使用它。

　　ConcurrentSkipListSet.class，和上面类似，只不过map变成了set

　　以下代码可以简单的比较一下几个容器再并发的情况下的效率问题

public class T01_ConcurrentMap {
	public static void main(String[] args) {

		Map<String,String> map =new ConcurrentHashMap<>();//并发性比较高
//		Map<String,String> map =new ConcurrentSkipListMap<>();//并发性高而且要求排序
//		Map<String,String> map  =new Hashtable<>();//并发性不是跟高
//		Map<String,String> map1 =new HashMap<>();
//		Map<String, String> map = Collections.synchronizedMap(map1);//并发性不是很高

		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(10000), "a"+r.nextInt(10000));
				}
				latch.countDown();
			});
		}
		Arrays.asList(ths).forEach(o->o.start());
		try {
			latch.await();
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		
		long end = System.currentTimeMillis();
		System.out.println(end-start);
	}
}

 

　　CopyOnWriteArrayList.class，copy-on-write（写时复制）模式的array list，每当需要插入元素，不在原list上操作，而是会新建立一个list，然后将原先的引用指向副本。适合读远远大于写的场景
　　CopyOnWriteArraySet.class，和上面类似，list变成set而已　

　　以下代码可以简单的比较一下几个容器再并发的情况下的效率问题　

　　

public class T01_CopyOnWriteList {

	public static void main(String[] args) {
		List<String> lists = 
//				new Vector<String>();//并发效率相对高
//				new ArrayList<String>();//这个并发会有问题
				new CopyOnWriteArrayList<String>();//效率比较低，读取非常快，读的时候不加锁
		Random r =new Random();
		Thread[] ths  =new Thread[100];
		
		for(int i=0;i<ths.length;i++) {
			ths[i]=new Thread(()->{
				for(int j=0;j<1000;j++) {
					lists.add("a"+r.nextInt(10000) );
				}
			});
		}
		long start = System.currentTimeMillis();
		
		Arrays.asList(ths).forEach(o->o.start());
		Arrays.asList(ths).forEach(o->{
			try {
				o.join();
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		});
		
		long end = System.currentTimeMillis();
		System.out.println(end-start);
		System.out.println(lists.size());
	}
}