同步类容器和并发类容器

Posted 2020-12-26 zys-blog

 一 同步类容器
同步类容器都是线程安全的，但在某些场景中可能需要加锁来保证复合操作。
符合操作如：迭代（反复访问元素，遍历完容器中所有元素）、跳转（根据指定的顺序找到当前元素的下一个元素）、条件运算。这些复合操作在多线程并发地修改容器时，可能会表现出意外的行为，最经典的ConcurrentModificationException，原因是当前容器迭代的过程中，被并发的修改了内容，这是由于早期迭代器设计的时候没有考虑到并发修改。

同步类容器：如古老的Vector、HashTable。这些容器的同步功能其实都是有JDK的Collections.synchronized***等工厂方法去创建实现的。其底层的机制无非就是用传统的synchronized关键字对每个共用方法都进行同步，使得每次只有一个线程访问容器的状态。这不符合今天互联网高并发的需求。
 二 并发类容器
jdk1.5之后，提供了多种并发类容器来替代同步类容器，从而改善性能。同步类容器都是串行化的，它们虽然实现了线程安全，但是严重降低了并发性，在多线程环境时，严重降低了性能。

并发类容器是专门针对并发设计的，使用ConcurrentHashMap来替代给予散列的传统的HashTable，而且在ConcurrentHashMap中，添加了一些常见复合操作的支持。以及使用CopyOnWriteArrayList替代Vector，并发的CopyOnWriteArraySet，以及并发的Queue，ConcurrentLinkedQueue和LinkedBlockingQueue，前者是高性能队列，后者是以阻塞形式的队列，具体实现Queue还有很多，例如ArrayBlockingQueue、SynchronousQueue、PriorityBlockingQueue等。
 2.1 ConcurrentMap
ConcurrentMap接口下两个重要实现类：ConcurrentHashMap、ConcurrentSkipListMap(支持并发排序功能，弥补ConcurrentHashMap)
ConcurrentHashMap：内部使用段(Segment)来表示这些不同的部分，每个段其实就是一个小的HashTable，他们有自己的锁。只要多个修改操作发生在不同的段上，它们就可以并发进行。把一个整体分成了16个段，也就是最高支持16个线程的并发修改操作。这也是在多线程场景时减小锁的粒度从而降低锁竞争的一种方案，并且代码中大多共享变量使用volatile关键字声明，目的是第一时间获取修改的内容，性能非常好。
2.2 CopyOnWrite容器
Copy-On-Write简称COW，是一种用于程序设计中的优化策略。
JDK中的COW容器有两种：CopyOnWriteArrayList、CopyOnWriteArraySet
CopyOnWrite容器即写时复制的容器。通俗的理解是当我们往一个容器添加元素的时候，不直接往当前容器添加，而是先将当前容器进行Copy，复制出一个新的容器，然后新的容器里添加元素，添加完后，再将原容器的引用指向新的容器。这样做的好处是我们可以对CopyOnWrite容器进行并发的读，而且不需要加锁，因为当前容器不会添加任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一种读写分离的思想，读和写不同容器。场景：读多写少
三 并发Queue
并发==队列先进先出==，有两套实现：ConcurrentLinkedQueue接口高性能队列、BlockingQueue接口为代表的阻塞队列
 3.1 ConcurrentLinkedQueue类
ConcurrentLinkedQueue：是一个适用于高并发场景下的队列，通过无锁的方式，实现了高并发状态下的高性能，通常ConcurrentLinkedQueue性能好于BlockingQueue，它是一个基于链接节点的无界线程安全队列。该队列的元素遵循先进先出的原则，头是最先加入的，尾是最近加入的，该队列不允许null元素。
ConcurrentLinkedQueue队列的重要方法：
1. add()和offer()：都是加入元素的方法
2. poll()、take()和peek()：都是取头元素节点，区别在于前者会删除元素，后者不会

3.1 BlockingQueue接口
1. ArrayBlockingQueue：基于数组实现的阻塞队列实现，在ArrayBlockingQueue内部，维护了一个定长数组，以便缓存队列中的数据对象，其内部==没实现读写分离==，也就意味着生产和消费不能完全同步并行，长度是需要定义的，可以指定先进先出或者后进后出，也叫==有界队列==，在很多场合非常适用
2. LinkedBlockingQueue：基于链表的阻塞队列，与ArrayBlockingQueue类似，其内部也维持着一个数据缓冲队列（该队列由一个链表构成），LinkedBlockingQueue之所以能够高效的处理并发数据，是因为其内部实现采用分离锁（==读写分离==两个锁），从而实现生产者和消费者并行，是一个==无界队列==
3. SynchronousQueue：一种==没有缓冲==的队列，生产者生产的数据直接会被消费者获取并消费。不能添加，元素先take()取出阻塞，当有元素添加，后才取出

```
BlockingQueue<String> synchronousQueue = new SynchronousQueue<>();
synchronousQueue.add("a");
```

> 运行结果：
Exception in thread "main" java.lang.IllegalStateException: Queue full
at java.util.AbstractQueue.add(AbstractQueue.java:98)
at com.zys.test.test.StringTest.main(StringTest.java:13)

```
public class SynQueue {

	public static void main(String[] args) {
		SynchronousQueue<String> queue = new SynchronousQueue<>();
		Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				try {
					System.out.println("-----" + queue.take() + "
");
				} catch (InterruptedException e) {
					// TODO Auto-generated catch block
					e.printStackTrace();
				}
			}
		},"t1");
		t1.start();
		Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				queue.add("aaaa");//先take()取出阻塞，当有元素添加，后才取出
				queue.add("bbbb");
			}
		},"t2");
		t2.start();
	}
}
```　

> 运行结果：
-----aaaa
Exception in thread "t2"
java.lang.IllegalStateException: Queue full
at java.util.AbstractQueue.add(AbstractQueue.java:98)
at Queue.SynQueue$2.run(SynQueue.java:25)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

4. PriorityBlockingQueue：基于优先级的阻塞队列（优先级的判断通过构造函数传入的Compator对象来决定，也就是说传入队列的对象必须实现Comparable接口），在实现PriorityBlockingQueue时，内部控制线程同步的锁采用的公平锁，也是一个无界队列

public class Task implements Comparable<Task>{

	private int id;
	private String name;
	public int getId() {
		return id;
	}
	public void setId(int id) {
		this.id = id;
	}
	public String getName() {
		return name;
	}
	public void setName(String name) {
		this.name = name;
	}
	@Override
	public int compareTo(Task o) {
		return this.id > o.id ? 1 : (this.id < o.id ? -1 : 0);
	}
	@Override
	public String toString() {
		return this.id + "," + this.name;
	}
}

public class UsePriorityBlockingQueue {

	public static void main(String[] args) {
		PriorityBlockingQueue<Task> queue = new PriorityBlockingQueue<>();
		Task t1 = new Task();
		t1.setId(3);
		t1.setName("task1");
		Task t2 = new Task();
		t2.setId(6);
		t2.setName("task2");
		Task t3 = new Task();
		t3.setId(1);
		t3.setName("task3");
		queue.add(t1);
		queue.add(t2);
		queue.add(t3);
		System.out.println(queue);
		try {
			System.out.println(queue.peek());//peek和element取出但不移除
			System.out.println(queue.take());//take、poll和remove取出且移除
			//优先级排序，并返回优先级最高的元素，并在队列中删除取出的元素
		} catch (InterruptedException e) {
			// TODO Auto-generated catch block
			e.printStackTrace();
		}
		System.out.println(queue);
		for (Iterator<Task> iter = queue.iterator() ; iter.hasNext();) {
			Task task = iter.next();
			System.out.println(task.getName());
		}
	}
}

> 运行结果：
[1,task3, 6,task2, 3,task1]
1,task3
1,task3
[3,task1, 6,task2]
task1
task2
特点：添加元素时不排序，在取值时根据优先级排序

5. DelayQueue：带有延迟时间的Queue，其中的元素只有当其指定的==延迟时间==到了，才能够从队列中获取到该元素。DelayQueue中的元素必须实现Delayed接口，DelayQueue是一个没有大小限制的队列，应用场景很多，比如对缓存超时的数据进行移除、任务超时处理、空闲连接的关闭等等。

public class Wangmin implements Delayed{

	private String id;
	private String name;
	private long endTime;
	private TimeUnit timeUnit = TimeUnit.SECONDS; //设定单位为秒
	
	public Wangmin(String id, String name, long endTime) {
		super();
		this.id = id;
		this.name = name;
		this.endTime = endTime;
	}
	public String getId() {
		return id;
	}
	public void setId(String id) {
		this.id = id;
	}
	public String getName() {
		return name;
	}
	public void setName(String name) {
		this.name = name;
	}
	public long getEndTime() {
		return endTime;
	}
	public void setEndTime(long endTime) {
		this.endTime = endTime;
	}
	
	/**
	 * 上网时间相互比较，确定排序
	 */
	@Override
	public int compareTo(Delayed o) {
		Wangmin min = (Wangmin)o;
		return this.getDelay(this.timeUnit) - min.getDelay(this.timeUnit) > 0 ? 1 : 0;
	}
	/**
	 * 返回延迟时间
	 */
	@Override
	public long getDelay(TimeUnit unit) {
		return this.endTime - System.currentTimeMillis();
	}
	
}


public class WangBa implements Runnable{

	private DelayQueue<Wangmin> delayQueue = new DelayQueue<Wangmin>();
	public boolean yinye = true;
	
	public void shangji(String name, String id, int money) {
		Wangmin min = new Wangmin(id, name, money * 1000 + System.currentTimeMillis());
		System.out.println("网民：" + min.getName() + "，身份证号码为：" + min.getId() + "，网费：" + money + "	开始上网，上网结束时间为：" + min.getEndTime());
		this.delayQueue.add(min);
	}
	
	public void xiaji(Wangmin min) {
		System.out.println("网民：" + min.getName() + "下机时间到：" + System.currentTimeMillis());
	}
	@Override
	public void run() {
		while(yinye) {
			try {
				Wangmin min = delayQueue.take();
				xiaji(min);
			} catch (InterruptedException e) {
				// TODO Auto-generated catch block
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}
	
	public static void main(String[] args) {
		System.out.println("网吧开始营业...");
		WangBa wangBa = new WangBa();
		Thread shangwang = new Thread(wangBa);
		shangwang.start();
		wangBa.shangji("路人甲", "111", 1);
		wangBa.shangji("路人乙", "222", 10);
		wangBa.shangji("路人丙", "333", 5);
	}
}

> 运行结果：
网吧开始营业...
网民：路人甲，身份证号码为：111，网费：1 开始上网，上网结束时间为：1532587709166
网民：路人乙，身份证号码为：222，网费：10 开始上网，上网结束时间为：1532587718167
网民：路人丙，身份证号码为：333，网费：5 开始上网，上网结束时间为：1532587713168
网民：路人甲下机时间到：1532587709166
网民：路人丙下机时间到：1532587713168
网民：路人乙下机时间到：1532587718167