Java并发43:并发集合系列-序章

这些转载文章的叙述角度各不相同，不过不影响我们通过这些文章对并发集合有一个初步的理解。

一：集合

编程，离不开数据结构。

JDK提供了Java集合框架(Java Collections framework)，它包括可以用来实现多种不同的数据结构的接口、类和算法，如HaspMap、ArrayList等等。

我们在使用集合框架的时候，需要十分小心以保证其多线程的安全性，因为大多数集合类并没有对并发访问进行控制。

二：并发集合

为了解决这些集合框架造成的安全性问题，JDK逐渐提供了越来越多的并发集合类型。

我们在并发环境中，使用这些并发集合，不会产生数据不一致的问题。

2.1阻塞与非阻塞

JDK提供我们的并发集合类型，按照阻塞方式分为两种：

• 阻塞队列
  • 包含添加操作：如果不能立即进行添加，则是因为集合已满；执行该操作的线程将被阻塞，直到添加成功。
  • 包含删除操作：如果不能立即进行删除，则是因为集合已空；执行该操作的线程将被阻塞，直到删除成功。
• 非阻塞队列
  • 包含添加操作：如果不能立即进行添加，则将返回null值或抛出异常。
  • 包含删除操作：如果不能立即进行删除，则将返回null值或抛出异常。

2.2集合类型

JDK提供我们的并发集合类型，按照集合类型分为以下五种：

(1)List 列表

• CopyOnWriteArrayList :
  • 基于写时复制(Copy-On-Write)思想实现。
  • 适用于读多写少的并发场景，如黑名单，白名单等等。
  • 并发读的性能高；并发写的空间消耗大。
  • 只能保证数据的最终一致性，而非实时一致性。
  • 读不会阻塞，写会阻塞。
  • 链接：Java并发44:并发集合系列-基于写时复制的CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet

（2）Set 集合

• CopyOnWriteArraySet :
  • 基于写时复制(Copy-On-Write)思想实现。
  • 适用于读多写少的并发场景，如黑名单，白名单等等。
  • 并发读的性能高；并发写的空间消耗大。
  • 只能保证数据的最终一致性，而非实时一致性。
  • 读不会阻塞，写会阻塞。
  • 链接：Java并发44:并发集合系列-基于写时复制的CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet
• ConcurrentSkipListSet :
  • 基于跳表(SkipList)实现。
  • 跳表(SkipList)可以用来替代红黑树，使用概率均衡技术，插入、删除操作更简单、更快。
  • 跳表(SkipList)本质上是以空间换取时间。
  • ConcurrentSkipListSet是通过ConcurrentSkipListMap实现的。
  • ConcurrentSkipListMap中的元素是key-value键值对，而ConcurrentSkipListSet只用到了前者中的key。
  • 链接：Java并发45:并发集合系列-基于跳表的ConcurrentSkipListSet和ConcurrentSkipListMap

(3)Map 映射

• ConcurrentSkipListMap :
  • 基于跳表(SkipList)实现。
  • 跳表(SkipList)可以用来替代红黑树，使用概率均衡技术，插入、删除操作更简单、更快。
  • 跳表(SkipList)本质上是以空间换取时间。
  • ConcurrentSkipListSet是通过ConcurrentSkipListMap实现的。
  • ConcurrentSkipListMap中的元素是key-value键值对，而ConcurrentSkipListSet只用到了前者中的key。
  • 链接：Java并发45:并发集合系列-基于跳表的ConcurrentSkipListSet和ConcurrentSkipListMap
• ConcurrentHashMap :
  • 基于所使用的锁分段技术实现，减小锁粒度，减少数据竞争的概率。
  • get操作高效之处在于整个get过程不需要加锁，除非读到的值是空的才会加锁重读。
  • get操作的高效的根本原因在于采用了volatile关键字来保持多线程可见性。
  • put操作之前首先需要进行Segment加锁；但不会影响其他Segment锁。
  • put操作造成的扩容时，不是对整个容器进行双倍扩容，而只对某个segment进行双倍扩容，节省了大量空间。
  • size操作：先尝试2次通过不锁住Segment的方式来统计各个Segment大小，如果统计的过程中，容器的count发生了变化，则再采用加锁的方式来统计所有Segment的大小。
  • 链接：Java并发46:并发集合系列-基于锁分段技术的ConcurrentHashMap

（4）Deque 双端队列

• ConcurrentLinkedDeque :
  • 基于非阻塞CAS算法的非阻塞双向无界列表。
  • 算法与ConcurrentLinkedQueue类似。
  • 不仅支持FIFO操作，而且也支持FILO操作。
  • 链接：Java并发48:并发集合系列-基于CAS算法的非阻塞双向无界队列ConcurrentLinkedDueue
• LinkedBlockingDeque :
  • 基于独占锁ReenTratLock+链表的阻塞双向无界队列。
  • 有两个ReentrantLock的独占锁，分别用来控制元素入队加锁和出队加锁。
  • 不仅支持FIFO操作，而且也支持FILO操作。
  • size()方法和remove()方法在并发环境中较为精确。
  • 实现原来：LinkedBlockingQueue 类似。
  • 如何实现线程安全：volatile变量 + ReenTrantLock独占锁。
  • 链接：Java并发50:并发集合系列-基于独占锁实现的双向阻塞队列LinkedBlockingDeque

（5）Queue 队列

• ConcurrentLinkedQueue :
  • 基于非阻塞CAS算法的非阻塞单向无界列表。
  • 只支持FIFO操作。
  • size()方法和contains()方法在并发环境中并不精确。
  • 实际应用：Tomcat中NioEndPoint。
  • 如何实现线程安全：volatile变量(head，tail)保证可见性，CAS操作保证原子性和有序性。
  • 链接：Java并发47:并发集合系列-基于CAS算法的非阻塞单向无界列表ConcurrentLinkedQueue
• LinkedBlockingQueue :
  • 基于独占锁ReenTratLock+链表的阻塞单向无界队列。
  • 有两个ReentrantLock的独占锁，分别用来控制元素入队加锁和出队加锁。
  • 只支持FIFO操作。
  • size()方法和remove()方法在并发环境中较为精确。
  • 实际应用：tomcat中任务队列TaskQueue。
  • 如何实现线程安全：volatile变量 + ReenTrantLock独占锁。
  • 链接：Java并发49:并发集合系列-基于独占锁实现的单向阻塞队列LinkedBlockingQueue
• ArrayBlockingQueue :
  • 基于独占锁ReenTratLock+数组的阻塞单向有界队列。
  • 只有一个全局ReentrantLock的独占锁，用来控制元素入队加锁和出队加锁。
  • 只支持FIFO操作。
  • size()方法和remove()方法在并发环境中较为精确。
  • 如何实现线程安全：ReenTrantLock全局独占锁。
  • 链接：Java并发51:并发集合系列-基于独占锁+数组实现的单向阻塞有界队列ArrayBlockingQueue
• PriorityBlockingQueue :
  • 基于独占锁ReenTratLock+二叉树最小堆的阻塞单向无界优先级队列。
  • 只有一个全局ReentrantLock的独占锁，用来控制元素入队加锁和出队加锁。
  • size()方法在并发环境中精确的。
  • 如何实现线程安全：ReenTrantLock全局独占锁。
  • 链接：Java并发52:并发集合系列-基于独占锁+二叉树最小堆实现的单向阻塞无界优先级队列PriorityBlockingQueue
• DelayQueue :
  • 基于独占锁ReenTratLock+优先级阻塞队列PriorityBlockingQueue的阻塞单向无界延时队列。
  • 最先过期的元素具有最高优先级。
  • 只有一个全局ReentrantLock的独占锁，用来控制元素入队加锁和出队加锁。
  • 如何实现线程安全：ReenTrantLock全局独占锁。
  • 主要用途：缓存队列和超时任务处理。
  • 链接：Java并发53:并发集合系列-基于独占锁+PriorityBlockingQueue实现的单向阻塞无界延时队列DelayQueue
• SynchronousQueue :
  • 基于CAS操作的非阻塞无数据缓冲队列。
  • 不存在数据空间：队列头元素是第一个排队要插入数据的线程，而不是要交换的数据。
  • 因为没有数据空间，很多方法不可用：peek、clear、contains、isEmpty、size、remove等等。
  • 应用场景：生产者的线程和消费者的线程同步以传递某些信息、事件或者任务。
  • 应用实例：Executors.newCachedThreadPool()。
  • 可以这样来理解：生产者和消费者互相等待对方，握手，然后一起离开。
  • 链接：Java并发54:并发集合系列-基于CAS算法的非阻塞无数据缓冲队列SynchronousQueue
• LinkedTransferQueue :
  • 基于预占模式+链表的单向阻塞无界队列。
  • 预占模式：有就拿货走人，没有就占个位置等着，等到或超时。
  • transfer算法采用所谓双重数据结构(dual data structures)：保留与完成。
  • 只支持FIFO操作。
  • 应用实例：生产者与消费者。
  • 链接：Java并发55:并发集合系列-基于预占模式+链表的单向阻塞无界队列LinkedTransferQueue