java架构学习——4. java并发包&信号量&并发队列

本篇博文主要包含：

• 同步容器类
  Vector与ArrayList区别
  HasTable与HasMap的区别
  Collections.synchronized*(m)
  ConcurrentHashMap(JDK1.5之后并发包中的)
• 并发包中几种用于计数的信号量
  CountDownLatch
  CyclicBarrier
  Semaphore（重点）
• 并发队列
  -无界不阻塞安全队列：ConcurrentLinkedDeque
  -有界阻塞队列 BlockingQueue：
  ArrayBlockingQueue
  LinkedBlockingQueue
  PriorityBlockingQueue
  -SynchronousQueue

一、同步容器类

1. Vector与ArrayList区别：

• ArrayList是最常用的List实现类，内部是通过数组实现的，它允许对元素进行快速随机访问。数组的缺点是每个元素之间不能有间隔，当数组大小不满足时需要增加存储能力，就要将已经有数组的数据复制到新的存储空间中。当从ArrayList的中间位置插入或者删除元素时，需要对数组进行复制、移动、代价比较高。因此，它适合随机查找和遍历，不适合插入和删除。
• Vector与ArrayList一样，也是通过数组实现的，不同的是它支持线程的同步，即某一时刻只有一个线程能够写Vector，避免多线程同时写而引起的不一致性，但实现同步需要很高的花费，因此，访问它比访问ArrayList慢。
  Vector类读写的源码：
  
  ArrayList类的读写源码：
  

2. HashTable与HashMap的区别：

• HashMap不是线程安全的
  HastMap是一个接口 是map接口的子接口，是将键映射到值的对象，其中键和值都是对象，并且不能包含重复键，但可以包含重复值。HashMap允许null key和null value，而hashtable不允许。
• HashTable是线程安全的一个Collection。
• HashMap是Hashtable的轻量级实现（非线程安全的实现），他们都完成了Map接口，主要区别在于HashMap允许空（null）键值（key）,由于非线程安全，效率上可能高于Hashtable。
  HashMap允许将null作为一个entry的key或者value，而Hashtable不允许。
  HashMap把Hashtable的contains方法去掉了，改成containsvalue和containsKey。
  源码分析请看源代码。

3. Collections.synchronized*(m) 将线程不安全集合变为线程安全集合，如图：
   

4. ConcurrentHashMap(JDK1.5之后并发包中的)

• ConcurrentMap接口下有俩个重要的实现 :
  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，它们就可以并发进行。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小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。
  

二、并发包中几种用于计数的信号量

1. CountDownLatch
   CountDownLatch类位于java.util.concurrent包下，利用它可以实现类似计数器的功能。比如有一个任务A，它要等待其他4个任务执行完毕之后才能执行，此时就可以利用CountDownLatch来实现这种功能了。

代码演示：

public class CountDownLatchDemo {
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2);
		new Thread(new Runnable() {
			public void run() {
				System.out.println("1.子线程..............");
				countDownLatch.countDown();//每次减去1
			}
		}).start();
		
		new Thread(new Runnable() {
			public void run() {
				System.out.println("2.子线程..............");
				countDownLatch.countDown();//每次减去1
			}
		}).start();
		
		countDownLatch.await();// 调用当前方法主线程阻塞  countDown结果为0, 阻塞变为运行状态
		System.out.println("主线程..............");
	}
}

运行结果：

2. CyclicBarrier
   CyclicBarrier初始化时规定一个数目，然后计算调用了CyclicBarrier.await()进入等待的线程数。当线程数达到了这个数目时，所有进入等待状态的线程被唤醒并继续。
   CyclicBarrier就象它名字的意思一样，可看成是个障碍， 所有的线程必须到齐后才能一起通过这个障碍。
   CyclicBarrier初始时还可带一个Runnable的参数， 此Runnable任务在CyclicBarrier的数目达到后，所有其它线程被唤醒前被执行。

代码演示：

import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

class ThreadDemo extends Thread{
	CyclicBarrier cyclicBarrier;
	public ThreadDemo(CyclicBarrier cyclicBarrier) {
		this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
	}
	@Override
	public void run() {
		System.out.println("开始处理数据喽喽喽..........");
		try {
			sleep(100);
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		System.out.println("处理数据结束..........");
		try {
			cyclicBarrier.await();
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		} 
		System.out.println("唤醒并并行执行..........");
	}
}
/**
 * CyclicBarrier初始化时规定一个数目，然后计算调用了CyclicBarrier.await()进入等待的线程数。
 * 当线程数达到了这个数目时，所有进入等待状态的线程被唤醒并继续。 
 *
 */
public class CyclicBarrierDemo {
	public static void main(String[] args) {
		CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5);
		for(int i=0; i<5; i++) {
			new ThreadDemo(cyclicBarrier).start();
		}

	}
}

运行结果：

3. Semaphore（重点）
   Semaphore是一种基于计数的信号量。它可以设定一个阈值，基于此，多个线程竞争获取许可信号，做自己的申请后归还，超过阈值后，线程申请许可信号将会被阻塞。Semaphore可以用来构建一些对象池，资源池之类的，比如数据库连接池，我们也可以创建计数为1的Semaphore，将其作为一种类似互斥锁的机制，这也叫二元信号量，表示两种互斥状态。它的用法如下：
   availablePermits函数用来获取当前可用的资源数量
   wc.acquire(); //申请资源
   wc.release();// 释放资源
   代码演示：

/**
 * 需求：
 *  一个厕所只有3个坑位，但是有10个人来上厕所，那怎么办？假设10的人的编号分别为1-10，并且1号先到厕所，10号最后到厕所。
 *  那么1-3号来的时候必然有可用坑位，顺利如厕，4号来的时候需要看看前面3人是否有人出来了，如果有人出来，进去，否则等待。
 *  同样的道理，4-10号也需要等待正在上厕所的人出来后才能进去，并且谁先进去这得看等待的人是否有素质，是否能遵守先来先上的规则。
 *
 */
public class SemaphoreDemo {
	public static void main(String[] args) {
		Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
		for (int i = 1; i <=10; i++) {
			ThreadDemo01 parent = new ThreadDemo01("第"+i+"个人,",semaphore);
			 new Thread(parent).start();
		}
	}
}

class ThreadDemo01 extends Thread{
	private String name;
	private Semaphore wc;
	public ThreadDemo01(String name,Semaphore wc){
		this.name=name;
		this.wc=wc;
	}
	@Override
	public void run() {
		try {
			// 剩下的资源(剩下的茅坑)
			int availablePermits = wc.availablePermits();
			if (availablePermits > 0) {
				System.out.println(name+"天助我也,终于有茅坑了...");
			} else {
				System.out.println(name+"怎么没有茅坑了...");
			}
			//申请茅坑 如果资源达到3次，就等待
			wc.acquire();
			System.out.println(name+"终于轮我上厕所了..爽啊");
			   Thread.sleep(new Random().nextInt(1000)); // 模拟上厕所时间。
			System.out.println(name+"厕所上完了...");
			//资源释放后在wc.acquire()处等待的线程抢到资源后继续往下执行
			wc.release();
			
		} catch (Exception e) {

		}
	}
}

运行结果：

三、并发队列
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。
有界队列：队列长度有限制
无界队列：队列长度无限制

1. 无界不阻塞安全队列：ConcurrentLinkedDeque
   ConcurrentLinkedDeque: 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ConcurrentLinkedDeque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。
   ConcurrentLinkedQue重要方法:
   add 和offer() 都是加入元素的方法(在ConcurrentLinkedDeque中这俩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。

代码演示：

public class ConcurrentLinkedDequeDemo {

	public static void main(String[] args) {
		ConcurrentLinkedDeque cd = new ConcurrentLinkedDeque();
		cd.offer("hello");
		cd.offer("world");
		cd.offer("!");
		
		//从头获取元素,删除该元素
		System.out.println(cd.poll());
		//从头获取元素,不刪除该元素
		System.out.println(cd.peek());
		//获取总长度
		System.out.println(cd.size());
		
	}
}

运行结果：

2. 有界阻塞队列

2.1 BlockingQueue
阻塞队列（BlockingQueue）是一个支持两个附加操作的队列。这两个附加的操作是：

• 在队列为空时，获取元素的线程会等待队列变为非空。
• 当队列满时，存储元素的线程会等待队列可用。

阻塞队列常用于生产者和消费者的场景，生产者是往队列里添加元素的线程，消费者是从队列里拿元素的线程。阻塞队列就是生产者存放元素的容器，而消费者也只从容器里拿元素。
BlockingQueue即阻塞队列，从阻塞这个词可以看出，在某些情况下对阻塞队列的访问可能会造成阻塞。被阻塞的情况主要有如下两种：

• 当队列满了的时候进行入队列操作
• 当队列空了的时候进行出队列操作

因此，当一个线程试图对一个已经满了的队列进行入队列操作时，它将会被阻塞，除非有另一个线程做了出队列操作；同样，当一个线程试图对一个空队列进行出队列操作时，它将会被阻塞，除非有另一个线程进行了入队列操作。
在Java中，BlockingQueue的接口位于java.util.concurrent 包中(在Java5版本开始提供)，由上面介绍的阻塞队列的特性可知，阻塞队列是线程安全的。
在新增的Concurrent包中，BlockingQueue很好的解决了多线程中，如何高效安全“传输”数据的问题。通过这些高效并且线程安全的队列类，为我们快速搭建高质量的多线程程序带来极大的便利。本文详细介绍了BlockingQueue家庭中的所有成员，包括他们各自的功能以及常见使用场景。
认识BlockingQueue阻塞队列，顾名思义，首先它是一个队列，而一个队列在数据结构中所起的作用大致如下图所示：
从上图我们可以很清楚看到，通过一个共享的队列，可以使得数据由队列的一端输入，从另外一端输出；
常用的队列主要有以下两种：（当然通过不同的实现方式，还可以延伸出很多不同类型的队列，DelayQueue就是其中的一种）

• 先进先出（FIFO）：先插入的队列的元素也最先出队列，类似于排队的功能。从某种程度上来说这种队列也体现了一种公平性。
• 后进先出（LIFO）：后插入队列的元素最先出队列，这种队列优先处理最近发生的事件。
  　
  多线程环境中，通过队列可以很容易实现数据共享，比如经典的“生产者”和“消费者”模型中，通过队列可以很便利地实现两者之间的数据共享。假设我们有若干生产者线程，另外又有若干个消费者线程。如果生产者线程需要把准备好的数据共享给消费者线程，利用队列的方式来传递数据，就可以很方便地解决他们之间的数据共享问题。但如果生产者和消费者在某个时间段内，万一发生数据处理速度不匹配的情况呢？理想情况下，如果生产者产出数据的速度大于消费者消费的速度，并且当生产出来的数据累积到一定程度的时候，那么生产者必须暂停等待一下（阻塞生产者线程），以便等待消费者线程把累积的数据处理完毕，反之亦然。然而，在concurrent包发布以前，在多线程环境下，我们每个程序员都必须去自己控制这些细节，尤其还要兼顾效率和线程安全，而这会给我们的程序带来不小的复杂度。好在此时，强大的concurrent包横空出世了，而他也给我们带来了强大的BlockingQueue。（在多线程领域：所谓阻塞，在某些情况下会挂起线程（即阻塞），一旦条件满足，被挂起的线程又会自动被唤醒。)

2.2 ArrayBlockingQueue
ArrayBlockingQueue是一个有边界的阻塞队列，它的内部实现是一个数组。有边界的意思是它的容量是有限的，我们必须在其初始化的时候指定它的容量大小，容量大小一旦指定就不可改变。
ArrayBlockingQueue是以先进先出的方式存储数据，最新插入的对象是尾部，最新移出的对象是头部。

2.3 LinkedBlockingQueue
LinkedBlockingQueue阻塞队列大小的配置是可选的，如果我们初始化时指定一个大小，它就是有边界的，如果不指定，它就是无边界的。说是无边界，其实是采用了默大小为Integer.MAX_VALUE的容量 。它的内部实现是一个链表。和ArrayBlockingQueue一样，LinkedBlockingQueue 也是以先进先出的方式存储数据，最新插入的对象是尾部，最新移出的对象是头部。

2.4 PriorityBlockingQueue
PriorityBlockingQueue是一个没有边界的队列，它的排序规则和 java.util.PriorityQueue一样。需要注意，PriorityBlockingQueue中允许插入null对象。所有插入PriorityBlockingQueue的对象必须实现java.lang.Comparable接口，队列优先级的排序规则就是按照我们对这个接口的实现来定义的。另外，我们可以从PriorityBlockingQueue获得一个迭代器Iterator，但这个迭代器并不保证按照优先级顺序进行迭代。

3. SynchronousQueue
   SynchronousQueue队列内部仅允许容纳一个元素。当一个线程插入一个元素后会被阻塞，除非这个元素被另一个线程消费。

4. 使用BlockingQueue模拟生产者与消费者

代码演示：

public class BlockingQueueDemo {
	
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		BlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<String>(4);
		ProducerThread producerThread1 = new ProducerThread(queue);
		ProducerThread producerThread2 = new ProducerThread(queue);
		ConsumerThread consumerThread1 = new ConsumerThread(queue);
        Thread t1 = new Thread(producerThread1);
        Thread c1 = new Thread(consumerThread1);
        t1.start();
        c1.start();
        // 执行10s
        Thread.sleep(10 * 500);
        producerThread1.stop();
	}
}


class ProducerThread implements Runnable{
	BlockingQueue blockingQueue;
	private volatile boolean flag = true;
	private static AtomicInteger count = new AtomicInteger();
	
	public ProducerThread(BlockingQueue blockingQueue) {
		this.blockingQueue = blockingQueue;
	}
	
	@Override
	public void run() {
		try {
			System.out.println("生产线程启动...");
			while (flag) {
				System.out.println("正在生产数据....");
				String data = count.incrementAndGet()+"";
				// 将数据存入队列中,阻塞时间为2秒钟
				boolean offer = blockingQueue.offer(data, 2, TimeUnit.SECONDS);
				if (offer) {
					System.out.println("生产者,存入" + data + "到队列中,成功.");
				} else {
					System.out.println("生产者,存入" + data + "到队列中,失败.");
				}
				Thread.sleep(1000);
			}
		} catch (Exception e) {

		} finally {
			System.out.println("生产者退出线程");
		}
	}

	public void stop() {
		this.flag = false;
	}
}


class ConsumerThread implements Runnable {
	private BlockingQueue<String> queue;
	private volatile boolean flag = true;

	public ConsumerThread(BlockingQueue<String> queue) {
		this.queue = queue;
	}

	@Override
	public void run() {
		System.out.println("消费线程启动...");
		try {
			while (flag) {
				System.out.println("消费者,正在从队列中获取数据..");
				//poll方法：从队列中区数据并删除，阻塞时间为2秒
				String data = queue.poll(2, TimeUnit.SECONDS);
				if (data != null) {
					System.out.println("消费者,拿到队列中的数据data:" + data);
					Thread.sleep(1000);
				} else {
					System.out.println("消费者,超过2秒未获取到数据..");
					flag = false;
				}
			}
		} catch (Exception e) {
               e.printStackTrace();
		} finally {
			System.out.println("消费者退出线程...");
		}
	}
}

运行结果：