并发容器与队列详解-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/jz1993/article/details/80718032

/**
 * 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，复合操作如：
 * 迭代（反复访问元素，遍历完容器中所有的元素），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，可能会表现出意
 * 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没有考虑并发修改的问题。
 * 
 * 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。

import java.util.Collections;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.Vector;

public class Tickets {
    public static void main(String[] args) {
        //初始化火车票池并添加火车票：避免线程同步可采用Vector替代ArrayList，HashTable替代HashMap

        final Vector<String> tickets = new Vector<String>();

//        Map<String,String> map = Collections.synchronizedMap(new HashMap<String,String>());

        for (int i = 1 ; i <= 1000 ; i++){
            tickets.add("火车票" + i);
        }

        for (int i = 1; i <= 10 ; i++){
            new Thread("线程" + i){
                public void run(){
                    while(true){
                        if (tickets.isEmpty()) break;
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "---" + tickets.remove(0));
                    }
                }
            }.start();
        }
    }
}

/**
 * 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。
 * 并发类容器是专门正对并发设计的，使用ConcurrentHashMap来代替给予散列的传统的
 * HashTable，而且在ConCurrentHashMap中，添加了一些常见的复合操作的支持。以及使用了
 * CopyOnWriteArrayList代替Vector，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ArrayBlockingQueue,PriorityBlockingQueue,
 * SynchronousQueue等。
 */

/**
 * ConcurrentMap接口下有两个重要的实现：
 *     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，它们有自己的锁，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，可以在非常多的开发场景中使用到。
 * 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。
 */

/**
 * 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
 * Queue
 *  AbstractQueue
 *  AsLIFOQueue
 *  ConcurrentLinkedQueue
 *  BlockingQueue
 *      ArrayBlockingQueue
 *      DelayedWorkQueue
 *      DelayQueue
 *      LinkedBlockingQueue
 *      PriorityBlockingQueue
 *      SynchronousQueue
 *      BlockingDeque
 *          LinkedBlockingDeque
 *      TransferQueue
 *          LinkedTransferQueue
 *  Deque
 */

/**
 * 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，该队列不允许有null元素。
 * ConcurrentLinkedQueue重要方法：
 *      add()和offer()都是加入元素的方法（在ConcurrentLinkedQueue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。
 */

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.SynchronousQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * ArrayBlockingQueue:基于数组的阻塞队列实现，在ArrayBlockingQueue内部，维护了一个定常数组，
 * 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者先进后出，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。
 *
 * 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 UseQueue {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        /*ArrayBlockingQueue<String> array = new ArrayBlockingQueue<String>(5);
        array.put("a");
        array.put("b");
        array.put("c");
        array.put("d");
        array.put("e");
        array.put("f");
        System.out.println(array.offer("a",3,TimeUnit.SECONDS));*/


        final SynchronousQueue<String> q = new SynchronousQueue<String>();
//        q.add("11");
        /**
         * Exception in thread "main" java.lang.IllegalStateException: Queue full
         *     at java.util.AbstractQueue.add(AbstractQueue.java:98)
         *     at cn.fenghuo.jiqing.util.sock.UseQueue.main(UseQueue.java:42)
         */

        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                try {
                    System.out.println("t1准备！");
                    System.out.println(q.take());
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"t1");
        t1.start();

        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);

        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                System.out.println("准备添加！");
                q.add("xixihaha");
            }
        },"t2");
        t2.start();

    }


}

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 task) {
        return this.id > task.id ? 1 : (this.id < task.id ? -1 : 0);
    }

    @Override
    public String toString() {
        return this.id + "," + this.name;
    }
}

import java.util.concurrent.PriorityBlockingQueue;

public class UsePriorityBlockingQueue {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        PriorityBlockingQueue<Task> q = new PriorityBlockingQueue<Task>();

        Task t1 = new Task();
        t1.setId(3);
        t1.setName("id = 3");

        Task t2 = new Task();
        t2.setId(4);
        t2.setName("id = 4");

        Task t3 = new Task();
        t3.setId(1);
        t3.setName("id = 1");

        q.add(t1);
        q.add(t2);
        q.add(t3);

        System.out.println("容器 ： " + q);
        System.out.println(q.take().getId());
        System.out.println("容器 ： " + q);
        System.out.println(q.take().getId());
        System.out.println(q.take().getId());
    }
}

import java.util.concurrent.Delayed;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class Wangmin implements Delayed {

    private String id;
    private String name;
    private long endTime;

    private TimeUnit timeUnit = TimeUnit.SECONDS;

    public Wangmin(String name,String id,long endTime){
        this.name = name;
        this.id = id;
        this.endTime = endTime;
    }

    public long getEndTime() {
        return endTime;
    }

    public void setEndTime(long endTime) {
        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;
    }

    /**
     * 用来判断是否到了截止时间
     * @param unit
     * @return
     */
    @Override
    public long getDelay(TimeUnit unit) {
        return endTime - System.currentTimeMillis();
    }

    /**
     * 相互比较排序用
     * @param o
     * @return
     */
    @Override
    public int compareTo(Delayed o) {
        Wangmin w = (Wangmin)o;
        return this.getDelay(this.timeUnit) - w.getDelay(this.timeUnit) > 0 ? 1 : 0;
    }
}

import java.util.concurrent.DelayQueue;

public class Wangba implements Runnable {

    private DelayQueue<Wangmin> queue = new DelayQueue<Wangmin>();

    public boolean yinye = true;

    public void shangji(String name,String id,int money){
        Wangmin man = new Wangmin(name,id,1000 * money + System.currentTimeMillis());
        System.out.println("网民" + man.getName() + " 身份证" + man.getId() + "交钱" + money + "块，开始上机。。。");
        this.queue.add(man);
    }

    public void xiaji(Wangmin man){
        System.out.println("网名" + man.getName() + " 身份证" + man.getId() + "时间到下机。。。");
    }

    @Override
    public void run() {
        while(yinye){
            try {
                Wangmin man  = queue.take();
                xiaji(man);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        try{
            System.out.println("网吧开始营业");
            Wangba siyu = new Wangba();
            Thread shangwang = new Thread(siyu);
            shangwang.start();
            siyu.shangji("路人甲","123",1);
            siyu.shangji("路人乙","234",10);
            siyu.shangji("路人丙","345",5);
        }catch (Exception ex){
            ex.printStackTrace();
        }
    }
}

多个线程多个锁3