一、簡介

java的集合框架中，容器主要分為List、Set、Queue、Map四大類，常用的容器ArrayList、LinkedList、HashSet、HashMap等都不是線程安全的，在多線程環(huán)境下使用這些容器需要我們進(jìn)行同步處理。為了簡化開發(fā)，Java提供了同步容器。

同步容器

簡單地在在需要同步的方法上添加synchronized來實現(xiàn)同步的容器。主要的同步容器：

• Vector
• Stack
• Hashtable
• Collections.SynchronizedList()方法創(chuàng)建的List
• Collections.synchronizedSet()方法創(chuàng)建的Set
• Collections.synchronizedMap()方法創(chuàng)建的Map

同步容器的問題
同步容器都是以自身為鎖，多個線程共同競爭容器的鎖時，吞吐量降低。因此，在并發(fā)量比較高的場景，可以使用并發(fā)容器來替代。

并發(fā)容器

java.util.concurrent包中針對并發(fā)環(huán)境設(shè)計的容器。并發(fā)容器使用了寫時復(fù)制、分段鎖、CAS等技術(shù)，在并發(fā)環(huán)境下能提供更高的吞吐量。

二、并發(fā)容器結(jié)構(gòu)圖

并發(fā)容器結(jié)構(gòu)圖.png

三、并發(fā)List

CopyOnWriteArrayList

對應(yīng)ArrayList，使用方法和ArrayList相同。內(nèi)部實現(xiàn)基于寫入時復(fù)制技術(shù)。

寫入時復(fù)制（Copy-On-Write）

是計算機程序設(shè)計領(lǐng)域中的一種優(yōu)化思想，是一種讀寫分離思想，在很多系統(tǒng)設(shè)計上都會用到，常用于讀多寫少的并發(fā)場景。Copy-On-Write的原理是，對于查詢操作，不需要加鎖，直接訪問數(shù)據(jù)。對于寫入（增刪改）操作，需要對操作加互斥鎖，保證只會有1個線程在操作。在操作數(shù)據(jù)前，先將數(shù)據(jù)復(fù)制一份副本，之后的操作是對副本進(jìn)行的。操作完成后，將原數(shù)據(jù)的指針指向副本，完成了副本替換原數(shù)據(jù)。因此，寫入操作的同時，讀操作不會被阻塞，而是繼續(xù)讀取原數(shù)據(jù)。

Copy-On-Write存在的問題
內(nèi)存占用：由于有復(fù)制操作存在，在寫操作比較頻繁或者數(shù)據(jù)比較大的場景，Copy-On-Write比較耗存。
數(shù)據(jù)一致性：寫副本完成到原數(shù)據(jù)指針被替換之間，如果有讀操作，則讀到的是舊數(shù)據(jù)。Copy-On-Write只能保證數(shù)據(jù)的最終一致性，不能保證數(shù)據(jù)的實時一致性。

四、并發(fā)Set

CopyOnWriteArraySet

對應(yīng)HashSet，使用方法和HashSet相同。內(nèi)部實現(xiàn)基于CopyOnWriteArrayList。

ConcurrentSkipListSet

對應(yīng)TreeSet，使用方法和TreeSet相同。內(nèi)部實現(xiàn)基于ConcurrentSkipListMap。

五、并發(fā)Queue

Queue接口表示單向隊列，單向隊列只能在隊列頭部刪除元素、在隊列末尾添加元素。

Queue的核心方法：

• offer：將元素加入隊列的末尾。
• poll: 將元素從隊列的頭部刪除。
• peek：返回隊列頭部的元素，但不進(jìn)行刪除。

ConcurrentLinkedQueue

ConcurrentLinkedQueue類實現(xiàn)了Queue接口。表示基于鏈表的單向隊列，它的實現(xiàn)使用了CAS無鎖算法。

BlockingQueue接口

BlockingQueue接口擴展了Queue接口。表示阻塞單向隊列。

阻塞隊列和生產(chǎn)者-消費者模型
阻塞隊列的工作模式是：當(dāng)隊列滿時，隊列會阻塞插入元素的線程，直到隊列不滿；當(dāng)隊列為空時，隊列會阻塞獲取元素的線程，直到隊列不空。
阻塞隊列常用于生產(chǎn)者-消費者模型，生產(chǎn)者向隊列中添加元素，消費者則從隊列中取出元素。線程池就是利用阻塞隊列來實現(xiàn)任務(wù)的排隊。

Queue的核心方法：

• put：將元素加入隊列的末尾，如果隊列已滿，線程將被阻塞。
• take：將元素從隊列的頭部刪除，如果隊列為空，線程將被阻塞。

BlockingQueue的五個實現(xiàn)類

• LinkedBlockingQueue
  基于鏈表的阻塞隊列，它的容量沒有上限，可以指定其最大容量。

• ArrayBlockingQueue
  基于數(shù)組的阻塞循環(huán)隊列，在構(gòu)造時需要指定最大容量。

• PriorityBlockingQueue
  基于堆的阻塞優(yōu)先級隊列，它的容量沒有上限。優(yōu)先級隊列的元素按優(yōu)先級順序出隊，而不是先進(jìn)先出。可以自定義compareTo()方法來指定元素的優(yōu)先級排序規(guī)則。

• DelayQueue
  基于堆的阻塞時間調(diào)度隊列，它的容量沒有上限。此隊列中的元素必須實現(xiàn)Delayed接口，在創(chuàng)建元素時可以指定延遲時間，只有在延遲時間滿后，才能從隊列中獲取元素。隊列頭部是延遲時間滿后保存時間最長的元素。如果延遲時間都還沒滿，則隊列沒有頭部。此隊列不允許使用null元素。DelayQueue多應(yīng)用于定時任務(wù)調(diào)度等場景。

• SynchronousQueue
  不存儲元素的阻塞隊列。此隊列每一個put操作必須等待一個take操作，否則不能繼續(xù)添加元素，隊列本身不存儲元素，看起來像是一根管道，資源從一個方快速傳遞到另一方。還可以指定隊列的公平性，默認(rèn)非公平。公平的隊列可保證線程以FIFO的順序進(jìn)行訪問，但是公平通常會降低吞吐量。SynchronousQueue非常適合傳遞性場景，即把生產(chǎn)者線程處理的數(shù)據(jù)直接傳遞給消費者線程。

TransferQueue接口

TransferQueue接口擴展了BlockingQueue接口。它提供了線程之間直接交換對象的能力。TransferQueue是一個結(jié)合了ConcurrentLinkedQueue, SynchronousQueue(公平模式)和LinkedBlockingQueues特性的組合體，具有較高的性能，推薦使用。

TransferQueue的核心方法：

• tryTransfer(E e)
  若當(dāng)前存在一個正在等待獲取的消費者線程，則立刻移交元素e。否則，返回false。
• transfer(E e)
  若當(dāng)前存在一個正在等待獲取的消費者線程，則立刻移交元素e。否則，插入當(dāng)前元素e到隊列尾部，并且當(dāng)前線程進(jìn)入阻塞狀態(tài)，直到有消費者線程取走該元素。
• hasWaitingConsumer()
  如果至少有一位消費者在等待，則返回true。
• getWaitingConsumerCount()
  返回等待的消費者數(shù)量的估計值。

LinkedTransferQueue

LinkedTransferQueue實現(xiàn)了TransferQueue接口。表示基于鏈表的阻塞隊列，它的容量沒有上限。當(dāng)有消費者等待獲取元素時，可以通過transfer()方法把生產(chǎn)者傳入的元素立即傳給消費者。

LinkedTransferQueue采用了一種預(yù)占模式。當(dāng)消費者取元素時，如果隊列為空，則生成一個元素為null的節(jié)點并入隊，然后消費者等待在這個節(jié)點上。當(dāng)生產(chǎn)者在插入元素時發(fā)現(xiàn)隊列中有一個元素為null的節(jié)點，于是生產(chǎn)者就不入隊了，直接將元素填充到該節(jié)點并喚醒在此節(jié)點等待的消費者，消費者醒來后取走元素。如果當(dāng)前沒有等待獲取的消費者，則生產(chǎn)者在插入元素后會一直等待直到插入的元素被消費者取走。TransferQueue不會讓生產(chǎn)者過度生產(chǎn)，生產(chǎn)者的生產(chǎn)速度取決于消費者的消費能力，因此不會造成OutOfMemory錯誤。

六、并發(fā)Deque

Deque擴展了Queue接口，表示雙向隊列，雙向隊列可以在首尾兩端訪問、插入或刪除元素。當(dāng)只從隊列一端進(jìn)行入隊和出隊時即為棧。

Deque作為單向隊列：

• offer：將元素加入隊列的末尾。
• poll:將元素從隊列的頭部刪除。
• peek：返回隊首的元素，但不進(jìn)行刪除。

Deque作為雙向隊列：

• offerFirst: 添加元素到頭部。如果隊列已滿，則返回false。
• offerLast: 添加元素到尾部。如果隊列已滿，則返回false。
• pollFirst:將元素從隊列的頭部刪除。
• pollLast:將元素從隊列的末尾刪除。
• peekFirst：返回隊列頭部的元素，但不進(jìn)行刪除。
• peekLast：返回隊列末尾的元素，但不進(jìn)行刪除。

Deque作為棧：

• push:將元素入棧。
• pop:將元素出棧。
• peek:返回棧頂元素，但不進(jìn)行刪除。

ConcurrentLinkedDeque

ConcurrentLinkedDeque實現(xiàn)了Deque接口。表示基于鏈表的雙向隊列。使用了CAS的非阻塞算法來保證線程并發(fā)訪問時的數(shù)據(jù)一致性。

BlockingDeque接口

BlockingDeque接口擴展了BlockingQueue接口。表示阻塞雙向隊列。

BlockingDeque的核心方法：

• putFirst: 添加元素到頭部。如果隊列已滿，線程將被阻塞。
• putLast: 添加元素到尾部。如果隊列已滿，線程將被阻塞。
• takeFirst: 移除頭部元素。如果隊列為空，線程將被阻塞。
• takeLast: 移除尾部元素。如果隊列為空，線程將被阻塞。

LinkedBlockingDeque

LinkedBlockingDeque實現(xiàn)了BlockingDeque接口。表示基于鏈表的雙向阻塞隊列。

七、并發(fā)Map

ConcurrentHashMap

對應(yīng)HashMap，使用方法和HashMap相同。內(nèi)部實現(xiàn)基于分段鎖技術(shù)，JDK8中改為CAS無鎖算法。

ConcurrentSkipListMap

對應(yīng)TreeMap，使用方法和TreeMap相同。內(nèi)部實現(xiàn)基于跳躍表（Skip-List）和CAS無鎖算法。