這些Java并發(fā)容器，你都了解嗎？
前言
在多線程環(huán)境下，數據的并發(fā)訪問和修改是無法避免的問題。
為了解決這個問題，Java 提供了一系列并發(fā)容器，這些容器在內部已經處理了并發(fā)問題，使得我們可以在多線程環(huán)境下安全地訪問和修改數據。
并發(fā)容器
1.ConcurrentHashMap 并發(fā)版 HashMap
最常見的并發(fā)容器之一，可以用作并發(fā)場景下的緩存。底層依然是哈希表，但在 JAVA 8 中有了不小的改變，而 JAVA 7 和 JAVA 8 都是用的比較多的版本，因此經常會將這兩個版本的實現方式做一些比較（比如面試中）。
一個比較大的差異就是，JAVA 7 中采用分段鎖來減少鎖的競爭，JAVA 8 中放棄了分段鎖，采用 CAS（一種樂觀鎖），同時為了防止哈希沖突嚴重時退化成鏈表（沖突時會在該位置生成一個鏈表，哈希值相同的對象就鏈在一起），會在鏈表長度達到閾值（8）后轉換成紅黑樹（比起鏈表，樹的查詢效率更穩(wěn)定）。
示例
import java.util.concurrent.*;
public class ConcurrentHashMapExample {
public static void main(String[] args) {
// Creating a ConcurrentHashMap
ConcurrentHashMap<String, String> map = new ConcurrentHashMap<String, String>();
// Adding elements to the ConcurrentHashMap
map.put("Key1", "Value1");
map.put("Key2", "Value2");
map.put("Key3", "Value3");
// Printing the ConcurrentHashMap
System.out.println("ConcurrentHashMap: " + map);
}
}2.CopyOnWriteArrayList 并發(fā)版 ArrayList
并發(fā)版 ArrayList，底層結構也是數組，和 ArrayList 不同之處在于：當新增和刪除元素時會創(chuàng)建一個新的數組，在新的數組中增加或者排除指定對象，最后用新增數組替換原來的數組。
CopyOnWriteArrayList 的主要特性是，每當列表修改時，例如添加或刪除元素，它都會創(chuàng)建列表的一個新副本。原始列表和新副本都可以進行并發(fā)讀取，這樣就可以在不鎖定整個列表的情況下進行并發(fā)讀取。這種方法在讀取操作遠多于寫入操作的場景中非常有用。
適用場景：由于讀操作不加鎖，寫（增、刪、改）操作加鎖，因此適用于讀多寫少的場景。
局限：由于讀的時候不會加鎖（讀的效率高，就和普通 ArrayList 一樣），讀取的當前副本，因此可能讀取到臟數據。如果介意，建議不用。
看看源碼感受下：
圖片
示例
import java.util.concurrent.*;
public class CopyOnWriteArrayListExample {
public static void main(String[] args) {
// 創(chuàng)建一個 CopyOnWriteArrayList
CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<String>();
// 向 CopyOnWriteArrayList 添加元素
list.add("Element1");
list.add("Element2");
list.add("Element3");
// 打印 CopyOnWriteArrayList
System.out.println("CopyOnWriteArrayList: " + list);
}
}3.CopyOnWriteArraySet 并發(fā) Set
基于 CopyOnWriteArrayList 實現（內含一個 CopyOnWriteArrayList 成員變量），也就是說底層是一個數組，意味著每次 add 都要遍歷整個集合才能知道是否存在，不存在時需要插入（加鎖）。
CopyOnWriteArraySet 的工作原理與 CopyOnWriteArrayList 類似。每當發(fā)生修改操作（如添加或刪除元素）時，它都會創(chuàng)建集合的一個新副本。原始集合和新副本都可以進行并發(fā)讀取，這樣就可以在不鎖定整個集合的情況下進行并發(fā)讀取。這種方法在讀取操作遠多于寫入操作的場景中非常有用。
適用場景：在 CopyOnWriteArrayList 適用場景下加一個，集合別太大（全部遍歷傷不起）。
示例
import java.util.concurrent.*;
public class CopyOnWriteArraySetExample {
public static void main(String[] args) {
// 創(chuàng)建一個 CopyOnWriteArraySet
CopyOnWriteArraySet<String> set = new CopyOnWriteArraySet<String>();
// 向 CopyOnWriteArraySet 添加元素
set.add("Element1");
set.add("Element2");
set.add("Element3");
// 打印 CopyOnWriteArraySet
System.out.println("CopyOnWriteArraySet: " + set);
}
}4.ConcurrentLinkedQueue 并發(fā)隊列 (基于鏈表)
基于鏈表實現的并發(fā)隊列，使用樂觀鎖 (CAS) 保證線程安全。因為數據結構是鏈表，所以理論上是沒有隊列大小限制的，也就是說添加數據一定能成功。
ConcurrentLinkedQueue 是 Java 并發(fā)包的一部分，它是基于鏈接節(jié)點的無界線程安全隊列。它按照 FIFO（先進先出）的原則對元素進行排序。
ConcurrentLinkedQueue 的主要優(yōu)點是它允許完全并發(fā)的插入，并且使用了一種高效的“wait-free”算法。
示例
import java.util.concurrent.*;
public class ConcurrentLinkedQueueExample {
public static void main(String[] args) {
// 創(chuàng)建一個 ConcurrentLinkedQueue
ConcurrentLinkedQueue<String> queue = new ConcurrentLinkedQueue<String>();
// 向 ConcurrentLinkedQueue 添加元素
queue.add("Element1");
queue.add("Element2");
queue.add("Element3");
// 打印 ConcurrentLinkedQueue
System.out.println("ConcurrentLinkedQueue: " + queue);
}
}5.ConcurrentLinkedDeque 并發(fā)隊列 (基于雙向鏈表)
基于雙向鏈表實現的并發(fā)隊列，可以分別對頭尾進行操作，因此除了先進先出 (FIFO)，也可以先進后出（FILO），當然先進后出的話應該叫它棧了。
ConcurrentLinkedDeque 是 Java 并發(fā)包的一部分，它是一個基于鏈接節(jié)點的無界并發(fā)雙端隊列。在 ConcurrentLinkedDeque 中，添加、刪除等操作可以在隊列的兩端進行，使其具有更高的并發(fā)性。
示例
import java.util.concurrent.*;
public class ConcurrentLinkedDequeExample {
public static void main(String[] args) {
// 創(chuàng)建一個 ConcurrentLinkedDeque
ConcurrentLinkedDeque<String> deque = new ConcurrentLinkedDeque<String>();
// 向 ConcurrentLinkedDeque 添加元素
deque.add("Element1");
deque.addFirst("Element2");
deque.addLast("Element3");
// 打印 ConcurrentLinkedDeque
System.out.println("ConcurrentLinkedDeque: " + deque);
}
}6.ConcurrentSkipListMap 基于跳表的并發(fā) Map
ConcurrentSkipListMap 是 Java 并發(fā)包的一部分，它是一個線程安全的排序映射表。它使用跳表的數據結構來保證元素的有序性和并發(fā)性。
跳表是一種可以進行二分查找的有序鏈表。ConcurrentSkipListMap 提供了預期的平均 log(n) 時間成本來執(zhí)行 containsKey，get，put 和 remove 操作，并且它的并發(fā)性通常優(yōu)于基于樹的算法。
SkipList 即跳表，跳表是一種空間換時間的數據結構，通過冗余數據，將鏈表一層一層索引，達到類似二分查找的效果
圖片
示例
import java.util.concurrent.*;
public class ConcurrentSkipListMapExample {
public static void main(String[] args) {
// 創(chuàng)建一個 ConcurrentSkipListMap
ConcurrentSkipListMap<String, String> map = new ConcurrentSkipListMap<String, String>();
// 向 ConcurrentSkipListMap 添加元素
map.put("Key1", "Value1");
map.put("Key2", "Value2");
map.put("Key3", "Value3");
// 打印 ConcurrentSkipListMap
System.out.println("ConcurrentSkipListMap: " + map);
}
}7.ConcurrentSkipListSet 基于跳表的并發(fā) Set
類似 HashSet 和 HashMap 的關系，ConcurrentSkipListSet 里面就是一個 ConcurrentSkipListMap，
ConcurrentSkipListSet 是 Java 并發(fā)包的一部分，它是一個線程安全的排序集合。它使用跳表的數據結構來保證元素的有序性和并發(fā)性。
跳表是一種可以進行二分查找的有序鏈表。ConcurrentSkipListSet 提供了預期的平均 log(n) 時間成本來執(zhí)行 contains，add 和 remove 操作，并且它的并發(fā)性通常優(yōu)于基于樹的算法。
示例
import java.util.concurrent.*;
public class ConcurrentSkipListSetExample {
public static void main(String[] args) {
// 創(chuàng)建一個 ConcurrentSkipListSet
ConcurrentSkipListSet<String> set = new ConcurrentSkipListSet<String>();
// 向 ConcurrentSkipListSet 添加元素
set.add("Element1");
set.add("Element2");
set.add("Element3");
// 打印 ConcurrentSkipListSet
System.out.println("ConcurrentSkipListSet: " + set);
}
}8.ArrayBlockingQueue 阻塞隊列 (基于數組)
ArrayBlockingQueue 是 Java 并發(fā)包的一部分，它是一個基于數組的有界阻塞隊列。此隊列按 FIFO（先進先出）原則對元素進行排序。
ArrayBlockingQueue 在嘗試插入元素到已滿隊列或從空隊列中移除元素時，會導致線程阻塞，直到有空間或元素可用。
基于數組實現的可阻塞隊列，構造時必須制定數組大小，往里面放東西時如果數組滿了便會阻塞直到有位置（也支持直接返回和超時等待），通過一個鎖 ReentrantLock 保證線程安全。
圖片
乍一看會有點疑惑，讀和寫都是同一個鎖，那要是空的時候正好一個讀線程來了不會一直阻塞嗎？
答案就在 notEmpty、notFull 里，這兩個出自 lock 的小東西讓鎖有了類似 synchronized + wait + notify 的功能。傳送門 → 終于搞懂了 sleep/wait/notify/notifyAll
示例
import java.util.concurrent.*;
public class ArrayBlockingQueueExample {
public static void main(String[] args) {
// 創(chuàng)建一個 ArrayBlockingQueue
ArrayBlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<String>(3);
// 向 ArrayBlockingQueue 添加元素
try {
queue.put("Element1");
queue.put("Element2");
queue.put("Element3");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 打印 ArrayBlockingQueue
System.out.println("ArrayBlockingQueue: " + queue);
}
}9.LinkedBlockingQueue 阻塞隊列 (基于鏈表)
LinkedBlockingQueue 是 Java 并發(fā)包的一部分，它是一個基于鏈表的可選有界阻塞隊列。此隊列按照 FIFO（先進先出）的原則對元素進行排序。
LinkedBlockingQueue 在嘗試插入元素到已滿隊列或從空隊列中移除元素時，會導致線程阻塞，直到有空間或元素可用。
基于鏈表實現的阻塞隊列，想比與不阻塞的 ConcurrentLinkedQueue，它多了一個容量限制，如果不設置默認為 int 最大值。
示例
import java.util.concurrent.*;
public class LinkedBlockingQueueExample {
public static void main(String[] args) {
// 創(chuàng)建一個 LinkedBlockingQueue
LinkedBlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<String>(3);
// 向 LinkedBlockingQueue 添加元素
try {
queue.put("Element1");
queue.put("Element2");
queue.put("Element3");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 打印 LinkedBlockingQueue
System.out.println("LinkedBlockingQueue: " + queue);
}
}10.LinkedBlockingDeque 阻塞隊列 (基于雙向鏈表)
LinkedBlockingDeque 是 Java 并發(fā)包的一部分，它是一個基于鏈表的可選有界阻塞雙端隊列。此隊列按照 FIFO（先進先出）的原則對元素進行排序。
LinkedBlockingDeque 在嘗試插入元素到已滿隊列或從空隊列中移除元素時，會導致線程阻塞，直到有空間或元素可用。雙端隊列的優(yōu)勢在于可以從兩端插入或移除元素。
類似 LinkedBlockingQueue，但提供了雙向鏈表特有的操作。
示例
import java.util.concurrent.*;
public class LinkedBlockingDequeExample {
public static void main(String[] args) {
// 創(chuàng)建一個 LinkedBlockingDeque
LinkedBlockingDeque<String> deque = new LinkedBlockingDeque<String>(3);
// 向 LinkedBlockingDeque 添加元素
try {
deque.putFirst("Element1");
deque.putLast("Element2");
deque.putFirst("Element3");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 打印 LinkedBlockingDeque
System.out.println("LinkedBlockingDeque: " + deque);
}
}11.PriorityBlockingQueue 線程安全的優(yōu)先隊列
PriorityBlockingQueue 是 Java 并發(fā)包的一部分，它是一個無界的并發(fā)隊列。它使用了和類 java.util.PriorityQueue 一樣的排序規(guī)則，并且能夠確保在并發(fā)環(huán)境下的線程安全。
PriorityBlockingQueue 中的元素按照自然順序或者由比較器提供的順序進行排序。隊列不允許使用 null 元素。
構造時可以傳入一個比較器，可以看做放進去的元素會被排序，然后讀取的時候按順序消費。某些低優(yōu)先級的元素可能長期無法被消費，因為不斷有更高優(yōu)先級的元素進來。
示例
import java.util.concurrent.*;
public class PriorityBlockingQueueExample {
public static void main(String[] args) {
// 創(chuàng)建一個 PriorityBlockingQueue
PriorityBlockingQueue<String> queue = new PriorityBlockingQueue<String>();
// 向 PriorityBlockingQueue 添加元素
queue.add("Element1");
queue.add("Element2");
queue.add("Element3");
// 打印 PriorityBlockingQueue
System.out.println("PriorityBlockingQueue: " + queue);
}
}12.SynchronousQueue 數據同步交換的隊列
SynchronousQueue 是 Java 并發(fā)包的一部分，它是一個不存儲元素的阻塞隊列。每一個 put 操作必須等待一個 take 操作，否則不能繼續(xù)添加元素，反之亦然。
這種特性使 SynchronousQueue 成為線程之間傳遞數據的好工具。它可以看作是一個傳球手，負責把生產者線程處理的數據直接傳遞給消費者線程。
一個虛假的隊列，因為它實際上沒有真正用于存儲元素的空間，每個插入操作都必須有對應的取出操作，沒取出時無法繼續(xù)放入。
示例
import java.util.concurrent.SynchronousQueue;
public class Main {
public static void main(String[] args) {
SynchronousQueue<Integer> queue = new SynchronousQueue<>();
new Thread(()->{
try{
for(int i=0;;i++){
System.out.println("放入：" + i);
queue.put(i);
}
}catch (InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}
}).start();
new Thread(()->{
try{
while(true){
System.out.println("取出：" + queue.take());
Thread.sleep((long)(Math.random()*2000));
}
}catch (InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}
}).start();
}
}運行結果：
取出：0
放入：0
取出：1
放入：1
放入：2
取出：2
取出：3
放入：3
取出：4
放入：4
...
...可以看到，寫入的線程沒有任何 sleep，可以說是全力往隊列放東西，而讀取的線程又很不積極，讀一個又 sleep 一會。輸出的結果卻是讀寫操作成對出現。
JAVA 中一個使用場景就是 Executors.newCachedThreadPool()，創(chuàng)建一個緩存線程池。
圖片
13.LinkedTransferQueue 基于鏈表的數據交換隊列
LinkedTransferQueue 是 Java 并發(fā)包的一部分，它是一個由鏈表結構組成的無界轉移阻塞隊列。隊列按照 FIFO（先進先出）的原則對元素進行排序。
LinkedTransferQueue 的一個特性是，它可以嘗試將元素直接轉移給消費者，如果沒有等待的消費者，元素就會被添加到隊列的尾部，等待消費者來獲取。
實現了接口 TransferQueue，通過 transfer 方法放入元素時，如果發(fā)現有線程在阻塞在取元素，會直接把這個元素給等待線程。如果沒有人等著消費，那么會把這個元素放到隊列尾部，并且此方法阻塞直到有人讀取這個元素。和 SynchronousQueue 有點像，但比它更強大。
示例
import java.util.concurrent.*;
public class LinkedTransferQueueExample {
public static void main(String[] args) {
// 創(chuàng)建一個 LinkedTransferQueue
LinkedTransferQueue<String> queue = new LinkedTransferQueue<String>();
// 啟動一個新線程來從 LinkedTransferQueue 取出元素
new Thread(() -> {
try {
System.out.println("Taken: " + queue.take());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
// 向 LinkedTransferQueue 添加一個元素
try {
queue.transfer("Element");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}14.DelayQueue 延時隊列
DelayQueue 是 Java 并發(fā)包的一部分，它是一個無界阻塞隊列，只有在延遲期滿時才能從中提取元素。此隊列的頭部是延遲期滿后保存時間最長的元素。如果延遲都還沒有期滿，則隊列沒有頭部，并且 poll 將返回 null。
元素在 DelayQueue 中的順序是按照其到期時間的先后順序進行排序的，越早到期的元素越排在隊列前面。延遲隊列常用于實現定時任務功能。
可以使放入隊列的元素在指定的延時后才被消費者取出，元素需要實現 Delayed 接口。
示例
import java.util.concurrent.*;
public class DelayQueueExample {
public static void main(String[] args) {
// 創(chuàng)建一個 DelayQueue
DelayQueue<DelayedElement> queue = new DelayQueue<DelayedElement>();
// 向 DelayQueue 添加一個元素，延遲 3 秒
queue.put(new DelayedElement(3000, "Element"));
// 從 DelayQueue 獲取元素
try {
DelayedElement element = queue.take();
System.out.println("Taken: " + element);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
class DelayedElement implements Delayed {
private long delayTime; // 延遲時間
private long expire; // 到期時間
private String element; // 元素數據
public DelayedElement(long delay, String element) {
this.delayTime = delay;
this.element = element;
this.expire = System.currentTimeMillis() + delay;
}
@Override
public long getDelay(TimeUnit unit) {
return unit.convert(expire - System.currentTimeMillis(), TimeUnit.MILLISECONDS);
}
@Override
public int compareTo(Delayed o) {
return (int) (this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS) - o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS));
}
@Override
public String toString() {
return element;
}
}總結
從上面的介紹總總結有以下幾種容器類
- ConcurrentHashMap：并發(fā)版 HashMap
- CopyOnWriteArrayList：并發(fā)版 ArrayList
- CopyOnWriteArraySet：并發(fā) Set
- ConcurrentLinkedQueue：并發(fā)隊列 (基于鏈表)
- ConcurrentLinkedDeque：并發(fā)隊列 (基于雙向鏈表)
- ConcurrentSkipListMap：基于跳表的并發(fā) Map
- ConcurrentSkipListSet：基于跳表的并發(fā) Set
- ArrayBlockingQueue：阻塞隊列 (基于數組)
- LinkedBlockingQueue：阻塞隊列 (基于鏈表)
- LinkedBlockingDeque：阻塞隊列 (基于雙向鏈表)
- PriorityBlockingQueue：線程安全的優(yōu)先隊列
- SynchronousQueue：讀寫成對的隊列
- LinkedTransferQueue：基于鏈表的數據交換隊列
- DelayQueue：延時隊列
Java 并發(fā)容器為處理多線程環(huán)境下的數據訪問和修改提供了強大的工具。
通過了解和學習這些并發(fā)容器，我們可以更好地理解并發(fā)編程，更有效地處理并發(fā)問題。
無論你是正在學習 Java，還是已經在使用 Java 進行開發(fā)，我都強烈建議你深入了解這些并發(fā)容器，它們將在你的并發(fā)編程之路上起到重要的作用。
