同步类容器,并发类容器介绍概念

同步类容器:

在JDK1.5之前同步类容器都是线程安全的,但在某些场景下可能需要加锁来保护复合操作。符合操作如:迭代(反复访问元素,遍历玩容器中所有的元素)、跳转(根据指定的顺序找到当前元素的下一个元素)、以及条件运算。这些复合操作在多线程并发地修改容器时,可能会表现出以外的行为,最经典的便是ConcurrentModificationException,原因是当容器迭代的过程中,被并发的修改了内容,这是由于早期迭代器设计的时候并发修改的问题。

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**等关键字对每个公用的方法都进行同步,使得每次只能有一个线程访问容器的状态。这很明显不满足我们今天互联网时代高并发的需求,在保证线程安全的同时,也必须要有足够好的性能。

并发类容器:

jdk5.0以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。同步类容器的状态都是串行化的。他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,严重降低了应用程序的吞吐量。

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。以及使用了CopyOnWriteArrayList代替Voctor,并发的CopyOnWriteArraySet,以及并发的Queue,ConcurrentLinkedQueue和LinkedBlockingQueue,前者是高性能的队列,后者是以阻塞形式的队列,具体实现Queue还有很多,例如ArrayBlockQueue、PriorityBlockingQueue、SynchronousQueue等。

ConcurrentMap接口下有两个重要的实现:

  • ConcurrentHashMap

ConcurrentSklpListMap(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,他们就可以并发进行。把一个整体分成了16个段(Segment)。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少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。

  • Copy-On-Write简称COW,是一种用于程序设计中的优化策略。

JDK里的COW容器有两种:CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet,COW容器非常有用,可以在非常多的并发场景中使用到。尤其是读的场景。

  • 什么是CopyOnWrite容器?

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,添加完元素之后,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,读和写不同的容器。(读多写少时更适用)

并发Queue:

在并发队列上JDK提供了两套实现,一个是以ConcurrentLinkedQueue为代表的高性能队列,一个是以BlockingQueue接口为代表的阻塞队列,无论哪种都继承自Queue。

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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重要方法:

add()和offer()都是加入元素的方法(在ConcurrentLinkeQueued中,这两个方法没有任何区别)
poll()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。

  • BlockingQueue接口:

ArrayBlockingQueue:基于数组的阻塞队列实现,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并行,长度是需要定义的,可以指定先进先出或先进后出,也叫有界队列,在很多场合非常适合使用。

LinkedBlockingQueue:基于链表的阻塞队列,同ArrayBlockingQueue类似,其内部也维持着一个数据缓冲队列(该队列有一个链表构成),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操作的完全并行运行。他是一个无界队列。

SynchronousQueue:一种没有缓冲的队列,生产者产生的数据直接会被消费者获取并消费。

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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是公平锁,他也是一个无界的队列。

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Delayd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、空闲连接关闭等等。

有界队列表示任务队列池只允许添加有限的队列。

无界队列与有界队列相比,除非系统资源耗尽,否则无界的任务队列不存在任务入队失败的情况。当有新的任务到来,系统的线程数小于corePoolSize时,则新建线程执行任务。当达到corePoolSize后,就不会继续增加,若后续仍有新的任务加入,而没有空闲的线程资源,则任务直接进入队列等待。若任务创建和处理的速度差异很大,无界队列会保持快速增长,直到耗尽系统内存。

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