JAVA：并发

Posted 2020-09-06 不闻余物

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了JAVA：并发相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

并发包

1、常用的并发集合类

ConcurrentHashMap：线程安全的HashMap的实现
CopyOnWriteArrayList：线程安全且在读操作时无锁的ArrayList
CopyOnWriteArraySet：基于CopyOnWriteArrayList，不添加重复元素
ArrayBlockingQueue：基于数组、先进先出、线程安全，可实现指定时间的阻塞读写，并且容量可以限制
LinkedBlockingQueue：基于链表实现，读写各用一把锁，在高并发读写操作都多的情况下，性能优于ArrayBlockingQueue

2、原子类

AtomicInteger：线程安全的Integer，基于CAS（无阻塞，CPU原语），优于使用同步锁的Integer

3、线程池

ThreadPoolExecutor：一个高效的支持并发的线程池，可以很容易的将一个实现了Runnable接口的任务放入线程池执行，但要用好这个线程池，必须合理配置corePoolSize、最大线程数、任务缓冲队列，以及队列满了+线程池满时的回绝策略，一般而言对于这些参数的配置，需考虑两类需求：高性能和缓冲执行。
Executor：提供了一些方便的创建ThreadPoolExecutor的方法。
FutureTask：可用于异步获取执行结果或取消执行任务的场景，基于CAS，避免锁的使用。

4、锁

ReentrantLock：与synchronized效果一致，但是又更加灵活，支持公平/非公平锁、支持可中断的锁、支持非阻塞的tryLock(可超时)、支持锁条件等，需要手工释放锁，基于AbstractQueueSynchronizer
ReentrantReadWriteLock：与ReentrantLock没有关系，采用两把锁，用于读多写少的情形

参考：Java并发包类源码解析

并发集合类

1、ConcurrentHashMap

(Concurrent HashMap -> Segment -> HashBucket -> HashEntry)

线程安全的HashMap的实现
数据结构：一个指定个数的Segment数组，数组中的每一个元素Segment相当于一个HashTable（一个HashEntry[]）
扩容的话，只需要扩自己的Segment而非整个table扩容
key与value均不可以为null，而hashMap可以
向map添加元素
- 根据key获取key.hashCode的hash值
- 根据hash值算出将要插入的Segment
- 根据hash值与Segment中的HashEntry的容量-1按位与获取将要插入的HashEntry的index
- 若HashEntry[index]中的HashEntry链表有与插入元素相同的key和hash值，根据onlyIfAbsent决定是否替换旧值
- 若没有相同的key和hash，直接返回将新节点插入链头，原来的头节点设为新节点的next（采用的方式与HashMap一致，都是HashEntry替换的方法）
ConcurrentHashMap基于concurrencyLevel划分出多个Segment来存储key-value，这样的话put的时候只锁住当前的Segment，可以避免put的时候锁住整个map，从而减少了并发时的阻塞现象
从map中获取元素
- 根据key获取key.hashCode的hash值
- 根据hash值与找到相应的Segment
- 根据hash值与Segment中的HashEntry的容量-1按位与获取HashEntry的index
- 遍历整个HashEntry[index]链表，找出hash和key与给定参数相等的HashEntry，例如e
  - 如没找到e，返回null
  - 如找到e，获取e.value
    - 如果e.value!=null，直接返回
    - 如果e.value==null,则先加锁，等并发的put操作将value设置成功后，再返回value值
对于get操作而言，基本没有锁，只有当找到了e且e.value等于null,有可能是当下的这个HashEntry刚刚被创建，value属性还没有设置成功，这时候我们读到是该HashEntry的value的默认值null,所以这里加锁，等待put结束后，返回value值
加锁情况（分段锁）：

put
get中找到了hash与key都与指定参数相同的HashEntry，但是value==null的情况
remove
size()：三次尝试后，还未成功，遍历所有Segment，分别加锁（即建立全局锁）

参考：常用并发包、并发包

2、CopyOnWriteArrayList

线程安全且在读操作时无锁的ArrayList
采用的模式就是"CopyOnWrite"（即写操作-->包括增加、删除，使用复制完成）
底层数据结构是一个Object[]，初始容量为0，之后每增加一个元素，容量+1，数组复制一遍。（当有新元素加入的时候，创建新数组，并往新数组中加入一个新元素,这个时候，array这个引用仍然是指向原数组的。当元素在新数组添加成功后，将array这个引用指向新数组。）
遍历的只是全局数组的一个副本，即使全局数组发生了增删改变化，副本也不会变化，所以不会发生并发异常。但是，可能在遍历的过程中读到一些刚刚被删除的对象
增删改上锁、读不上锁
读多写少且脏数据影响不大的并发情况下，选择CopyOnWriteArrayList

3、CopyOnWriteArraySet

基于CopyOnWriteArrayList，不添加重复元素
CopyOnWriteArraySet在add元素的时候要遍历一遍数组，从而起到不添加重复元素的作用，但是由于要遍历数组，效率也会低于CopyOnWriteArrayList的add

4、ArrayBlockingQueue

基于数组、先进先出、线程安全，可实现指定时间的阻塞读写，并且容量可以限制。内部维护数组来缓冲队列中的数据对象。
组成：一个对象数组+1把锁ReentrantLock+2个条件Condition
三种入队对比
- offer(E e)：如果队列没满，立即返回true；如果队列满了，立即返回false-->不阻塞
- put(E e)：如果队列满了，一直阻塞，直到数组不满了或者线程被中断-->阻塞
- offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)：在队尾插入一个元素,，如果数组已满，则进入等待，直到出现以下三种情况：-->阻塞
  - 被唤醒
  - 等待时间超时
  - 当前线程被中断
三种出队对比
- poll()：如果没有元素，直接返回null；如果有元素，出队
- take()：如果队列空了，一直阻塞，直到数组不为空或者线程被中断-->阻塞
- poll(long timeout, TimeUnit unit)：如果数组不空，出队；如果数组已空且已经超时，返回null；如果数组已空且时间未超时，则进入等待，直到出现以下三种情况：
  - 被唤醒
  - 等待时间超时
  - 当前线程被中断
需要注意的是，数组是一个必须指定长度的数组，在整个过程中，数组的长度不变，队头随着出入队操作一直循环后移
锁的形式有公平与非公平两种
在只有入队高并发或出队高并发的情况下，因为操作数组，且不需要扩容，性能很高
多线程环境中，通过队列可以很容易实现数据共享，比如经典的“生产者”和“消费者”模型中，通过队列可以很便利地实现两者之间的数据共享。假设我们有若干生产者线程，另外又有若干个消费者线程。如果生产者线程需要把准备好的数据共享给消费者线程，利用队列的方式来传递数据，就可以很方便地解决他们之间的数据共享问题。但如果生产者和消费者在某个时间段内，万一发生数据处理速度不匹配的情况呢？理想情况下，如果生产者产出数据的速度大于消费者消费的速度，并且当生产出来的数据累积到一定程度的时候，那么生产者必须暂停等待一下（阻塞生产者线程），以便等待消费者线程把累积的数据处理完毕，反之亦然。
当队列中没有数据的情况下，消费者端的所有线程都会被自动阻塞（挂起），直到有数据放入队列。当队列中填满数据的情况下，生产者端的所有线程都会被自动阻塞（挂起），直到队列中有空的位置，线程被自动唤醒。这也是我们在多线程环境下，为什么需要BlockingQueue的原因。作为BlockingQueue的使用者，我们再也不需要关心什么时候需要阻塞线程，什么时候需要唤醒线程，因为这一切BlockingQueue都给你一手包办了。