《Java并发编程实战》课程笔记（十三）

并发容器

同步容器及其注意事项

• Java 中的容器主要可以分为四个大类，分别是 List、Map、Set 和 Queue，但并不是所有的 Java 容器都是线程安全的。
  • 例如，我们常用的 ArrayList、HashMap 就不是线程安全的。
  • 如何将非线程安全的容器变成线程安全的容器？只要把非线程安全的容器封装在对象内部，然后控制好访问路径就可以了。
• 组合操作需要注意竞态条件问题，即便每个操作都能保证原子性，也并不能保证组合操作的原子性。
  • 在容器领域一个容易被忽视的“坑”是用迭代器遍历容器。
  • 这些经过包装后线程安全容器，都是基于 synchronized 这个同步关键字实现的，所以也被称为同步容器。
  • Java 提供的同步容器还有 Vector、Stack 和 Hashtable，这三个容器不是基于包装类实现的，但同样是基于 synchronized 实现的，对这三个容器的遍历，同样要加锁保证互斥。

并发容器及其注意事项

• Java 在 1.5 版本之前所谓的线程安全的容器，主要指的就是同步容器。
• 不过同步容器有个最大的问题，那就是性能差，所有方法都用 synchronized 来保证互斥，串行度太高了。
• 因此 Java 在 1.5 及之后版本提供了性能更高的容器，我们一般称为并发容器。
  

List

• List 里面只有⼀个实现类就是 CopyOnWriteArrayList。
  • CopyOnWrite，顾名思义就是写的时候会将共享变量新复制一份出来，这样做的好处是读操作完全无锁。
  • CopyOnWriteArrayList 内部维护了一个数组，成员变量 array 就指向这个内部数组，所有的读操作都是基于 array 进行的，迭代器 Iterator 遍历的就是 array 数组。
    
  • 如果在遍历 array 的同时，还有一个写操作，例如增加元素，CopyOnWriteArrayList 是如何处理的呢？
    • CopyOnWriteArrayList 会将 array 复制一份，然后在新复制处理的数组上执行增加元素的操作，执行完之后再将 array 指向这个新的数组。
    • 读写是可以并行的，遍历操作一直都是基于原 array 执行，而写操作则是基于新 array 进行。
      
• 使用 CopyOnWriteArrayList 需要注意的“坑”主要有两个方面。
  • 一个是应用场景，CopyOnWriteArrayList 仅适用于写操作非常少的场景，而且能够容忍读写的短暂不一致。
  • 另一个需要注意的是，CopyOnWriteArrayList 迭代器是只读的，不支持增删改。因为迭代器遍历的仅仅是一个快照，而对快照进行增删改是没有意义的。

Map

• Map 接口的两个实现是 ConcurrentHashMap 和 ConcurrentSkipListMap。
  • 它们从应用的角度来看，主要区别在于 ConcurrentHashMap 的 key 是无序的，而 ConcurrentSkipListMap 的 key 是有序的。
  • 所以如果你需要保证 key 的顺序，就只能使用 ConcurrentSkipListMap。
• 使用 ConcurrentHashMap 和 ConcurrentSkipListMap 需要注意的地方是，它们的 key 和 value 都不能为空，否则会抛出 NullPointerException 这个运行时异常。
  
• ConcurrentSkipListMap 的 SkipList 本身就是⼀种数据结构跳表。
  • 跳表插⼊、删除、查询操作平均的时间复杂度是 O(logn)，理论上和并发线程数没有关系。
  • 所以在并发度非常高的情况下，若你对 ConcurrentHashMap 的性能还不满意，可以尝试⼀下 ConcurrentSkipListMap。

Set

• Set 接口的两个实现是 CopyOnWriteArraySet 和 ConcurrentSkipListSet，使用场景可以参考 CopyOnWriteArrayList 和 ConcurrentSkipListMap，它们的原理都是一样的。

Queue

• Java 并发包里阻塞队列都用 Blocking 关键字标识，单端队列使用 Queue 标识，双端队列使用 Deque 标识。

• 单端阻塞队列
  

  • 其实现有 ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、SynchronousQueue、LinkedTransferQueue、PriorityBlockingQueue 和 DelayQueue。
  • 内部一般会持有一个队列，这个队列可以是数组（其实现是 ArrayBlockingQueue）也可以是链表（其实现是 LinkedBlockingQueue）；
  • 甚至还可以不持有队列（其实现是 SynchronousQueue），此时生产者线程的入队操作必须等待消费者线程的出队操作。
  • LinkedTransferQueue 融合 LinkedBlockingQueue 和 SynchronousQueue 的功能，性能比 LinkedBlockingQueue 更好；
  • PriorityBlockingQueue 支持按照优先级出队；
  • DelayQueue 支持延时出队。

• 双端阻塞队列
  

  • 其实现是 LinkedBlockingDeque。

• 单端非阻塞队列

  • 其实现是 ConcurrentLinkedQueue。

• 双端非阻塞队列

  • 其实现是 ConcurrentLinkedDeque。

• 使用队列时，需要格外注意队列是否支持有界（所谓有界指的是内部的队列是否有容量限制）。

  • 实际工作中，一般都不建议使用无界的队列，因为数据量大了之后很容易导致 OOM。
  • 只有 ArrayBlockingQueue 和 LinkedBlockingQueue 是支持有界的，所以在使用其他无界队列时，一定要充分考虑是否存在导致 OOM 的隐患。