Java面试并发部分

于 2023-08-22 16:18:39 发布
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以下内容来源自Java 面试指南 | JavaGuide(Java面试 + 学习指南)和自己的学习笔记整理，这里我整理了自己比较感兴趣的点，也有助于我自己理解~

并发

并发编程三个重要特性

原子性

一次操作或者多次操作，要么所有的操作全部都得到执行并且不会受到任何因素的干扰而中断，要么都不执行。

在 Java 中，可以借助synchronized、各种 Lock 以及各种原子类实现原子性。

synchronized 和各种 Lock 可以保证任一时刻只有一个线程访问该代码块，因此可以保障原子性。各种原子类是利用 CAS (compare and swap) 操作（可能也会用到 volatile或者final关键字）来保证原子操作。

可见性

当一个线程对共享变量进行了修改，那么另外的线程都是立即可以看到修改后的最新值。

在 Java 中，可以借助synchronized、volatile 以及各种 Lock 实现可见性。

如果我们将变量声明为 volatile ，这就指示 JVM，这个变量是共享且不稳定的，每次使用它都到主存中进行读取。

有序性

由于指令重排序问题，代码的执行顺序未必就是编写代码时候的顺序。

我们上面讲重排序的时候也提到过：

指令重排序可以保证串行语义一致，但是没有义务保证多线程间的语义也一致 ，所以在多线程下，指令重排序可能会导致一些问题。

在 Java 中，volatile 关键字可以禁止指令进行重排序优化。

著作权归Guide所有 原文链接：JMM（Java 内存模型）详解 | JavaGuide(Java面试 + 学习指南)

进程和线程

进程

进程是程序的一次执行过程，是系统运行程序的基本单位，因此进程是动态的。系统运行一个程序即是一个进程从创建，运行到消亡的过程。

在 Java 中，当我们启动 main 函数时其实就是启动了一个 JVM 的进程，而 main 函数所在的线程就是这个进程中的一个线程，也称主线程。

线程

线程与进程相似，但线程是一个比进程更小的执行单位。一个进程在其执行的过程中可以产生多个线程。与进程不同的是同类的多个线程共享进程的堆和方法区资源，但每个线程有自己的程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈，所以系统在产生一个线程，或是在各个线程之间作切换工作时，负担要比进程小得多，也正因为如此，线程也被称为轻量级进程。

著作权归Guide所有 原文链接：Java并发常见面试题总结（上） | JavaGuide(Java面试 + 学习指南)

请简要描述线程与进程的关系,区别及优缺点？

总结： 线程是进程划分成的更小的运行单位。线程和进程最大的不同在于基本上各进程是独立的，而各线程则不一定，因为同一进程中的线程极有可能会相互影响。线程执行开销小，但不利于资源的管理和保护；而进程正相反。

依我的理解来看，进程是程序的一次执行过程，每个进程是相互独立的；在这个过程中，会产生多个线程，每个线程不一定是独立的，同一进程中的线程极有可能相互影响。

说说线程的生命周期和状态?

Java 线程在运行的生命周期中的指定时刻只可能处于下面 6 种不同状态的其中一个状态：

  • NEW: 初始状态，线程被创建出来但没有被调用 start() 。
  • RUNNABLE: 运行状态，线程被调用了 start()等待运行的状态。
  • BLOCKED：阻塞状态，需要等待锁释放。
  • WAITING：等待状态，表示该线程需要等待其他线程做出一些特定动作（通知或中断）。
  • TIME_WAITING：超时等待状态，可以在指定的时间后自行返回而不是像 WAITING 那样一直等待。
  • TERMINATED：终止状态，表示该线程已经运行完毕。

线程在生命周期中并不是固定处于某一个状态而是随着代码的执行在不同状态之间切换。

Java 线程状态变迁图(图源：挑错 |《Java 并发编程的艺术》中关于线程状态的三处错误open in new window)：Java 线程状态变迁图Java 线程状态变迁图

由上图可以看出：线程创建之后它将处于 NEW（新建） 状态，调用 start() 方法后开始运行，线程这时候处于 READY（可运行） 状态。可运行状态的线程获得了 CPU 时间片（timeslice）后就处于 RUNNING（运行） 状态。

在操作系统层面，线程有 READY 和 RUNNING 状态；而在 JVM 层面，只能看到 RUNNABLE 状态（图源：HowToDoInJavaopen in new window：Java Thread Life Cycle and Thread Statesopen in new window），所以 Java 系统一般将这两个状态统称为 RUNNABLE（运行中） 状态 。

为什么 JVM 没有区分这两种状态呢？ （摘自：Java 线程运行怎么有第六种状态？ - Dawell 的回答open in new window ） 现在的时分（time-sharing）多任务（multi-task）操作系统架构通常都是用所谓的“时间分片（time quantum or time slice）”方式进行抢占式（preemptive）轮转调度（round-robin 式）。这个时间分片通常是很小的，一个线程一次最多只能在 CPU 上运行比如 10-20ms 的时间（此时处于 running 状态），也即大概只有 0.01 秒这一量级，时间片用后就要被切换下来放入调度队列的末尾等待再次调度。（也即回到 ready 状态）。线程切换的如此之快，区分这两种状态就没什么意义了。

RUNNABLE-VS-RUNNINGRUNNABLE-VS-RUNNING

  • 当线程执行 wait()方法之后，线程进入 WAITING（等待） 状态。进入等待状态的线程需要依靠其他线程的通知才能够返回到运行状态。
  • TIMED_WAITING(超时等待) 状态相当于在等待状态的基础上增加了超时限制，比如通过 sleep（long millis）方法或 wait（long millis）方法可以将线程置于 TIMED_WAITING 状态。当超时时间结束后，线程将会返回到 RUNNABLE 状态。
  • 当线程进入 synchronized 方法/块或者调用 wait 后（被 notify）重新进入 synchronized 方法/块，但是锁被其它线程占有，这个时候线程就会进入 BLOCKED（阻塞） 状态。
  • 线程在执行完了 run()方法之后将会进入到 TERMINATED（终止） 状态。

著作权归Guide所有 原文链接：Java并发常见面试题总结（上） | JavaGuide(Java面试 + 学习指南)

这张图把一个线程的生命周期完整的展示了出来：

  • 由上图可以看出：线程创建之后它将处于 NEW（新建） 状态，调用 start() 方法后开始运行，线程这时候处于 READY（可运行） 状态。可运行状态的线程获得了 CPU 时间片（timeslice）后就处于 RUNNING（运行） 状态。

  • 当线程执行 wait()方法之后，线程进入 WAITING（等待） 状态。==进入等待状态的线程需要依靠其他线程的通知才能够返回到运行状态，notify()方法。

  • TIMED_WAITING(超时等待) 状态相当于在等待状态的基础上增加了超时限制，比如通过 sleep（long millis）方法或 wait（long millis）方法可以将线程置于 TIMED_WAITING 状态。当超时时间结束后，线程将会返回到 RUNNABLE 状态。

  • 当线程进入 synchronized 方法/块或者调用 wait() 后（被 notify()）重新进入 synchronized 方法/块，但是锁被其它线程占有，这个时候线程就会进入 BLOCKED（阻塞） 状态。

  • 线程在执行完了 run()方法之后将会进入到 TERMINATED（终止） 状态。

死锁

  • 多个线程各自占有一些共享资源，并且互相等待其他线程占有的资源才能运行，而导致两个或者多个线程都在等待对方释放资源，都停止执行的情形。某一个同步块同时拥有**“两个以上对象的锁”**时，就可能会发生“死锁"的问题。

  • 产生死锁的四个必要条件：

    1. 互斥条件：一个资源每次只能被一个进程使用。
    2. 请求与保持条件：一个进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。
    3. 不剥夺条件：进程已获得的资源，在未使用完之前，不能强行剥夺。
    4. 循环等待条件：若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。

如何预防和避免线程死锁?

只要想办法破其中的任意一个或多个条件就可以避免死锁发生。

如何预防死锁？ 破坏死锁的产生的必要条件即可：

  1. 破坏请求与保持条件：一次性申请所有的资源。
  2. 破坏不剥夺条件：占用部分资源的线程进一步申请其他资源时，如果申请不到，可以主动释放它占有的资源。
  3. 破坏循环等待条件：靠按序申请资源来预防。按某一顺序申请资源，释放资源则反序释放。破坏循环等待条件。

如何避免死锁？

避免死锁就是在资源分配时，借助于算法（比如银行家算法）对资源分配进行计算评估，使其进入安全状态。

安全状态 指的是系统能够按照某种线程推进顺序（P1、P2、P3…Pn）来为每个线程分配所需资源，直到满足每个线程对资源的最大需求，使每个线程都可顺利完成。称 <P1、P2、P3.....Pn> 序列为安全序列。

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sleep() 方法和 wait() 方法对比

共同点：两者都可以暂停线程的执行。

区别：

  • sleep() 方法没有释放锁，而 wait() 方法释放了锁 。
  • wait() 通常被用于线程间交互/通信，sleep()通常被用于暂停执行。
  • wait() 方法被调用后，线程不会自动苏醒，需要别的线程调用同一个对象上的 notify()或者 notifyAll() 方法。sleep()方法执行完成后，线程会自动苏醒，或者也可以使用 wait(long timeout) 超时后线程会自动苏醒。
  • sleep() 是 Thread 类的静态本地方法，wait() 则是 Object 类的本地方法。为什么这样设计呢？下一个问题就会聊到。

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可以直接调用 Thread 类的 run 方法吗？

这是另一个非常经典的 Java 多线程面试问题，而且在面试中会经常被问到。很简单，但是很多人都会答不上来！

new 一个 Thread，线程进入了新建状态。调用 start()方法，会启动一个线程并使线程进入了就绪状态，当分配到时间片后就可以开始运行了。 start() 会执行线程的相应准备工作，然后自动执行 run() 方法的内容，这是真正的多线程工作。 但是，直接执行 run() 方法，会把 run() 方法当成一个 main 线程下的普通方法去执行，并不会在某个线程中执行它，所以这并不是多线程工作。

总结：调用 start() 方法方可启动线程并使线程进入就绪状态，直接执行 run() 方法的话不会以多线程的方式执行。

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直接调用run() 方法的话不会以多线程的方式执行，只会被当做main线程下的普通方法去执行，只有正常按照线程的申明周期new—start()—run()的流程是多线程的工作状态。

volatile 关键字

volatile 关键字可以保证变量的可见性，如果我们将变量声明为 volatile ，这就指示 JVM，这个变量是共享且不稳定的，每次使用它都到主存中进行读取。

volatile 关键字能保证数据的可见性，但不能保证数据的原子性。synchronized 关键字两者都能保证。

乐观锁和悲观锁

悲观锁总是假设最坏的情况，认为共享资源每次被访问的时候就会出现问题(比如共享数据被修改)，所以每次在获取资源操作的时候都会上锁，这样其他线程想拿到这个资源就会阻塞直到锁被上一个持有者释放。也就是说，共享资源每次只给一个线程使用，其它线程阻塞，用完后再把资源转让给其它线程。

像 Java 中synchronized和ReentrantLock等独占锁就是悲观锁思想的实现。

public void performSynchronisedTask() {
    synchronized (this) {
        // 需要同步的操作
    }
}

private Lock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {
   // 需要同步的操作
} finally {
    lock.unlock();
}

高并发的场景下，激烈的锁竞争会造成线程阻塞，大量阻塞线程会导致系统的上下文切换，增加系统的性能开销。并且，悲观锁还可能会存在死锁问题，影响代码的正常运行。

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悲观锁就是共享资源每次只给一个线程使用，其它线程阻塞，用完后再把资源转让给其它线程。synchronized和ReentrantLock等独占锁就是悲观锁思想的实现。

乐观锁总是假设最好的情况，认为共享资源每次被访问的时候不会出现问题，线程可以不停地执行，无需加锁也无需等待，只是在提交修改的时候去验证对应的资源（也就是数据）是否被其它线程修改了（具体方法可以使用版本号机制或 CAS 算法）。

在 Java 中java.util.concurrent.atomic包下面的原子变量类（比如AtomicInteger、LongAdder）就是使用了乐观锁的一种实现方式 CAS 实现的。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-EBEdOC24-1692692236397)(https://my-blog-to-use.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/2019-6/JUC原子类概览.png)]JUC原子类概览

// LongAdder 在高并发场景下会比 AtomicInteger 和 AtomicLong 的性能更好
// 代价就是会消耗更多的内存空间（空间换时间）
LongAdder sum = new LongAdder();
sum.increment();

高并发的场景下，乐观锁相比悲观锁来说，不存在锁竞争造成线程阻塞，也不会有死锁的问题，在性能上往往会更胜一筹。但是，如果冲突频繁发生（写占比非常多的情况），会频繁失败和重试，这样同样会非常影响性能，导致 CPU 飙升。

不过，大量失败重试的问题也是可以解决的，像我们前面提到的 LongAdder以空间换时间的方式就解决了这个问题。

理论上来说：

  • 悲观锁通常多用于写比较多的情况（多写场景，竞争激烈），这样可以避免频繁失败和重试影响性能，悲观锁的开销是固定的。不过，如果乐观锁解决了频繁失败和重试这个问题的话（比如LongAdder），也是可以考虑使用乐观锁的，要视实际情况而定。
  • 乐观锁通常多用于写比较少的情况（多读场景，竞争较少），这样可以避免频繁加锁影响性能。不过，乐观锁主要针对的对象是单个共享变量（参考java.util.concurrent.atomic包下面的原子变量类）。

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乐观锁就是只在提交修改的时候去验证对应的资源（也就是数据）是否被其它线程修改了，（原子变量类（比如AtomicInteger、LongAdder）就是使用了乐观锁的一种实现方式 CAS 实现的。

synchronized 关键字

synchronized 是 Java 中的一个关键字，翻译成中文是同步的意思，主要解决的是多个线程之间访问资源的同步性，可以保证被它修饰的方法或者代码块在任意时刻只能有一个线程执行。

线程同步其实是一种等待机制，同步一定会损失一定的性能，安全和性能是不可兼得的。

如何使用 synchronized？

synchronized 关键字的使用方式主要有下面 3 种：

  1. 修饰实例方法
  2. 修饰静态方法
  3. 修饰代码块

1、修饰实例方法 （锁当前对象实例）

给当前对象实例加锁，进入同步代码前要获得 当前对象实例的锁 。

synchronized void method() {
    //业务代码
}

2、修饰静态方法 （锁当前类）

给当前类加锁，会作用于类的所有对象实例 ，进入同步代码前要获得 当前 class 的锁。

这是因为静态成员不属于任何一个实例对象，归整个类所有，不依赖于类的特定实例，被类的所有实例共享。

synchronized static void method() {
    //业务代码
}

静态 synchronized 方法和非静态 synchronized 方法之间的调用互斥么？不互斥！如果一个线程 A 调用一个实例对象的非静态 synchronized 方法，而线程 B 需要调用这个实例对象所属类的静态 synchronized 方法，是允许的，不会发生互斥现象，因为访问静态 synchronized 方法占用的锁是当前类的锁，而访问非静态 synchronized 方法占用的锁是当前实例对象锁。

3、修饰代码块 （锁指定对象/类）

对括号里指定的对象/类加锁：

  • synchronized(object) 表示进入同步代码库前要获得 给定对象的锁。
  • synchronized(类.class) 表示进入同步代码前要获得 给定 Class 的锁
synchronized(this) {
    //业务代码
}

总结：

  • synchronized 关键字加到 static 静态方法和 synchronized(class) 代码块上都是是给 Class 类上锁；
  • synchronized 关键字加到实例方法上是给对象实例上锁；
  • 尽量不要使用 synchronized(String a) 因为 JVM 中，字符串常量池具有缓存功能。

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锁对象，锁类，锁方法，锁代码块。

synchronized 底层原理简述

synchronized 同步语句块的实现使用的是 monitorenter 和 monitorexit 指令，其中 monitorenter 指令指向同步代码块的开始位置，monitorexit 指令则指明同步代码块的结束位置。

synchronized 修饰的方法并没有 monitorenter 指令和 monitorexit 指令，取得代之的确实是 ACC_SYNCHRONIZED 标识，该标识指明了该方法是一个同步方法。

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synchronized 和 volatile 有什么区别？

synchronized 关键字和 volatile 关键字是两个互补的存在，而不是对立的存在！

  • volatile 关键字是线程同步的轻量级实现，所以 volatile性能肯定比synchronized关键字要好 。但是 volatile 关键字只能用于变量而 synchronized 关键字可以修饰方法以及代码块 。
  • volatile 关键字能保证数据的可见性，但不能保证数据的原子性。synchronized 关键字两者都能保证。
  • volatile关键字主要用于解决变量在多个线程之间的可见性，而 synchronized 关键字解决的是多个线程之间访问资源的同步性。

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ReentrantLock

ReentrantLock类（可重入锁）实现Lock接口，它拥有与synchronized相同的并发性和内存语义，在实现线程安全的控制中，比较常用的是ReentrantLock（实现类），可以显示加锁、释放锁。和synchronized相比更灵活、更强大。

ReentrantLock 里面有一个内部类 Sync，Sync 继承 AQS（AbstractQueuedSynchronizer），添加锁和释放锁的大部分操作实际上都是在 Sync 中实现的。Sync 有公平锁 FairSync 和非公平锁 NonfairSync 两个子类。

img

ReentrantLock 默认使用非公平锁，也可以通过构造器来显式的指定使用公平锁。

// 传入一个 boolean 值，true 时为公平锁，false 时为非公平锁
public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

从上面的内容可以看出， ReentrantLock 的底层就是由 AQS 来实现的。关于 AQS 的相关内容推荐阅读 AQS 详解open in new window 这篇文章。

公平锁和非公平锁有什么区别？

  • 公平锁 : 锁被释放之后，先申请的线程先得到锁。性能较差一些，因为公平锁为了保证时间上的绝对顺序，上下文切换更频繁。
  • 非公平锁：锁被释放之后，后申请的线程可能会先获取到锁，是随机或者按照其他优先级排序的。性能更好，但可能会导致某些线程永远无法获取到锁。

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synchronized和Lock的对比：

  • Lock是显式锁（手动开启和关闭锁，别忘记关闭锁）；synchronized是隐式锁，出了作用域自动释放。
  • Lock只有代码块锁，synchronized有代码块锁和方法锁。
  • 使用Lock锁，JVM将花费较少的时间来调度线程，性能更好。并且具有更好的拓展性（提供更多的子类）
  • 优先使用顺序：
    • Lock > 同步代码块（已经进入了方法体，分配了相应资源） > 同步方法（在方法体之外）
synchronized 依赖于 JVM 而 ReentrantLock 依赖于 API

synchronized 是依赖于 JVM 实现的，前面我们也讲到了 虚拟机团队在 JDK1.6 为 synchronized 关键字进行了很多优化，但是这些优化都是在虚拟机层面实现的，并没有直接暴露给我们。

ReentrantLock 是 JDK 层面实现的（也就是 API 层面，需要 lock() 和 unlock() 方法配合 try/finally 语句块来完成），所以我们可以通过查看它的源代码，来看它是如何实现的。

ReentrantLock 比 synchronized 增加了一些高级功能

相比synchronized，ReentrantLock增加了一些高级功能。主要来说主要有三点：

  • 等待可中断 : ReentrantLock提供了一种能够中断等待锁的线程的机制，通过 lock.lockInterruptibly() 来实现这个机制。也就是说正在等待的线程可以选择放弃等待，改为处理其他事情。
  • 可实现公平锁 : ReentrantLock可以指定是公平锁还是非公平锁。而synchronized只能是非公平锁。所谓的公平锁就是先等待的线程先获得锁。ReentrantLock默认情况是非公平的，可以通过 ReentrantLock类的ReentrantLock(boolean fair)构造方法来制定是否是公平的。
  • 可实现选择性通知（锁可以绑定多个条件）: synchronized关键字与wait()和notify()/notifyAll()方法相结合可以实现等待/通知机制。ReentrantLock类当然也可以实现，但是需要借助于Condition接口与newCondition()方法。

如果你想使用上述功能，那么选择 ReentrantLock 是一个不错的选择。

著作权归Guide所有 原文链接：Java并发常见面试题总结（中） | JavaGuide(Java面试 + 学习指南)

ThreadLocal

ThreadLocal 有什么用？

通常情况下，我们创建的变量是可以被任何一个线程访问并修改的。如果想实现每一个线程都有自己的专属本地变量该如何解决呢？

JDK 中自带的ThreadLocal类正是为了解决这样的问题。 ThreadLocal类主要解决的就是让每个线程绑定自己的值，可以将ThreadLocal类形象的比喻成存放数据的盒子，盒子中可以存储每个线程的私有数据。

如果你创建了一个ThreadLocal变量，那么访问这个变量的每个线程都会有这个变量的本地副本，这也是ThreadLocal变量名的由来。他们可以使用 get() 和 set() 方法来获取默认值或将其值更改为当前线程所存的副本的值，从而避免了线程安全问题。

再举个简单的例子：两个人去宝屋收集宝物，这两个共用一个袋子的话肯定会产生争执，但是给他们两个人每个人分配一个袋子的话就不会出现这样的问题。如果把这两个人比作线程的话，那么 ThreadLocal 就是用来避免这两个线程竞争的。

著作权归Guide所有 原文链接：https://javaguide.cn/java/concurrent/java-concurrent-questions-03.html#threadlocal

ThreadLocal类让每个线程都能拥有一个存放自己私有数据的“盒子”，可以避免多个线程之间对数据的竞争问题。 如果创建一个 ThreadLocal变量，那么访问这个变量的每个线程都会有这个变量的本地副本，这些线程就可以使用get()和set()方法来获取和更改本地副本的值，从而避免了线程安全问题。

线程池

什么是线程池?

顾名思义，线程池就是管理一系列线程的资源池。当有任务要处理时，直接从线程池中获取线程来处理，处理完之后线程并不会立即被销毁，而是等待下一个任务。

为什么要用线程池？

池化技术想必大家已经屡见不鲜了，线程池、数据库连接池、Http 连接池等等都是对这个思想的应用。池化技术的思想主要是为了减少每次获取资源的消耗，提高对资源的利用率。

线程池提供了一种限制和管理资源（包括执行一个任务）的方式。 每个线程池还维护一些基本统计信息，例如已完成任务的数量。

这里借用《Java 并发编程的艺术》提到的来说一下使用线程池的好处：

  • 降低资源消耗。通过重复利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗。
  • 提高响应速度。当任务到达时，任务可以不需要等到线程创建就能立即执行。
  • 提高线程的可管理性。线程是稀缺资源，如果无限制的创建，不仅会消耗系统资源，还会降低系统的稳定性，使用线程池可以进行统一的分配，调优和监控。

著作权归Guide所有 原文链接：Java并发常见面试题总结（下） | JavaGuide(Java面试 + 学习指南)

池化技术的思想主要是为了减少每次获取资源的消耗，提高对资源的利用率。

Java 常见并发容器总结

JDK 提供的这些容器大部分在 java.util.concurrent 包中。

  • ConcurrentHashMap : 线程安全的 HashMap
  • CopyOnWriteArrayList : 线程安全的 List，在读多写少的场合性能非常好，远远好于 Vector。
  • ConcurrentLinkedQueue : 高效的并发队列，使用链表实现。可以看做一个线程安全的 LinkedList，这是一个非阻塞队列。
  • BlockingQueue : 这是一个接口，JDK 内部通过链表、数组等方式实现了这个接口。表示阻塞队列，非常适合用于作为数据共享的通道。
  • ConcurrentSkipListMap : 跳表的实现。这是一个 Map，使用跳表的数据结构进行快速查找。

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的 List，在读多写少的场合性能非常好，远远好于 Vector。

  • ConcurrentLinkedQueue : 高效的并发队列，使用链表实现。可以看做一个线程安全的 LinkedList，这是一个非阻塞队列。
  • BlockingQueue : 这是一个接口，JDK 内部通过链表、数组等方式实现了这个接口。表示阻塞队列，非常适合用于作为数据共享的通道。
  • ConcurrentSkipListMap : 跳表的实现。这是一个 Map，使用跳表的数据结构进行快速查找。

著作权归Guide所有 原文链接：Java 常见并发容器总结 | JavaGuide(Java面试 + 学习指南)

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