Java并发队列与容器

【前言：无论是大数据从业人员还是Java从业人员，掌握Java高并发和多线程是必备技能之一。本文主要阐述Java并发包下的阻塞队列和并发容器，其实研读过大数据相关技术如Spark、Storm等源码的，会发现它们底层大多用到了Java并发队列、同步类容器、ReentrantLock等。建议大家结合本篇文章，仔细分析一下相关源码】

BlockingQueue

阻塞队列，位于java.util.concurrent并发包下，它很好的解决了多线程中如何安全、高效的数据传输问题。所谓“阻塞”是指在某些情况下线程被挂起，当满足一定条件时会被自动唤醒，可以通过API进行控制。

常见的阻塞队列主要分为两种FIFO（先进先出）和LIFO（后进先出），当然通过不同的实现方式，还可以引申出多种不同类型的队列。首先了解一下BlockingQueue的几个核心API：put、take一对阻塞存取；add、poll一对非阻塞存取。

插入数据

put(anObj)：把anObj加到BlockingQueue里，如果BlockQueue没有空间，则调用此方法的线程被阻塞，直到BlockingQueue里面有空间再继续插入

add(anObj)：把anObj加到BlockingQueue里，如果BlockingQueue可以容纳，则返回true，否则抛出异常

offer(anObj)：表示如果可能的话，将anObj加到BlockingQueue里，如果BlockingQueue可以容纳，则返回true，否则返回false。

读取数据

take()：取走BlockingQueue里排在首位的对象，若BlockingQueue为空，阻断进入等待状态，直到Blocking有新的对象被加入为止

poll(time)：取走BlockingQueue里排在首位的对象，若不能立即取出，则可以等time参数规定的时间，取不到时返回null

BlockingQueue核心成员介绍

ArrayBlockingQueue

基于数组实现的有界阻塞队列。因为基于数组实现，所以具有查找快，增删慢的特点。

生产者和消费者用的是同一把锁，不能并行执行效率低。它底层使用了一种标准互斥锁ReentrantLock，即读读、读写，写写都互斥，当然可以控制对象内部是否采用公平锁，默认是非公平锁。消费方式是FIFO。

生产和消费数据时，直接将枚举对象插入或删除，不会产生或销毁额外的对象实例。

应用：因为底层生产和消费用了同一把锁，定长数组不用频繁创建和销毁对象，适合于想按照队列顺序去执行任务，还不想出现频繁的GC的场景。

LinkedBlockingQueue

基于链表实现的阻塞队列，同样具有增删快，定位慢的特点。

需要注意一点：默认情况下创建的LinkedBlockingQueue容量是Integer.MAX_VALUE， 在这种情况下，如果生产者的速度一旦大于消费者的速度，可能还没有等到队列满阻塞产生，系统内存就有可能已被消耗尽。可以通过指定容量创建LinkedBlockingQueue避免这种极端情况的发生。

虽然底层使用的也是ReentrantLock但take和put是分离的（生产和消费的锁不是同一把锁），高并发场景下效率仍然高于ArrayBlockingQueue。put方法在队列满的时候会阻塞直到有队列成员被消费，take方法在队列空的时候会阻塞，直到有队列成员被放进来。

DelayQueue

DelayQueue是一个没有大小限制的队列，因此往队列中插入数据的操作（生产者）永远不会被阻塞，而只有获取数据的操作（消费者）才会被阻塞。DelayQueue中的元素，只有指定的延迟时间到了，才能够从队列中获取到该元素。

应用场景：

1.客户端长时间占用连接的问题，超过这个空闲时间了，可以移除的

2.处理长时间不用的缓存:如果队列里面的对象长时间不用，超过空闲时间，就移除

3.任务超时处理

PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue不会阻塞数据生产者，而只会在没有可消费的数据时，阻塞数据的消费者。因此必须控制生产者生产数据的速度，避免消费者消费数据速度跟不上，否则时间一长，会最终耗尽所有的可用堆内存空间。

在向PriorityBlockingQueue中添加元素时，元素通过在实现实现Comparable接口，重写compareTo()来定义优先级的逻辑。它内部控制线程同步的锁采用的是公平锁。

SynchronousQueue

一种无缓冲的等待队列，来一个任务就执行这个任务，这期间不能添加任何的任务。也就是不用阻塞了，其实对于少量任务而言，这种做法更高效。

声明一个SynchronousQueue有两种不同的方式，公平模式和非公平模式:

公平模式：SynchronousQueue会采用公平锁，并配合一个FIFO队列来阻塞多余的生产者和消费者，从而体现整体的公平策略；

非公平模式（SynchronousQueue默认）：SynchronousQueue采用非公平锁，同时配合一个LIFO队列来管理多余的生产者和消费者，而后一种模式，如果生产者和消费者的处理速度有差距，则很容易出现饥渴的情况，即可能有某些生产者或者是消费者的数据永远都得不到处理。

ConcurrentLinkedQueue

不上锁，高并发场景效率远高于ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue等

容器

同步类容器

第一类：Vector、Stack、HashTable都是同步类，线程安全的，但高并发场景下仍然可能出现问题如ConcurrentModificationException。

第二类：Collections提供的一些工厂类（静态），效率低

并发类容器

CopyOnWrite容器

写时复制的容器：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，然后往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，非常适合读多写少的场景。

但同时存在如下问题：

数据一致性问题：CopyOnWrite容器是弱一致性的，即只能保证数据的最终一致性，不能保证数据的实时一致性。所以如果你希望写入的的数据能够即时读到，不要使用CopyOnWrite容器。

内存占用问题：因为CopyOnWrite 的写时复制机制，所以在进行写操作的时候，内存里会同时驻扎两个对象的内存，旧的对象和新写入的对象。如果这些对象占用的内存比较大，如果控制不好，比如写特别多的情景，很有可能造成频繁的Yong GC 和Full GC。针对内存占用问题，可以通过压缩容器中的元素的方法来减少大对象的内存消耗，或者不使用CopyOnWrite容器，而使用其他的并发容器，如ConcurrentHashMap。

有两种常见的CopyOnWrite容器：CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet，其中CopyOnWriteArrayList是ArrayList 的一个线程安全的变体。

ConcurrentHashMap

笔者分JDK1.7和JDK1.8两部分说明ConcurrentHashMap。

JDK1.7 ConcurrentHashMap

JDK1.7采用"锁分段"技术来降低锁的粒度，它把整个map划分为一系列由segment组成的单元，一个segment相当于一个hashtable。通过这种方式，加锁的对象就从整个map变成了一个segment。ConcurrentHashMap线程安全并且提高性能原因就在于：对map中的读是并发的，无需加锁；只有在put、remove操作时才加锁，而加锁仅是对需要操作的segment加锁，不会影响其他segment的读写。因此不同的segment之间可以并发使用，极大地提高了性能。

根据源码又可得出查找、插入、删除的过程：通过key的hash确定segement（插入时如果segment大小达到扩容阈值则进行扩容） --> 确定链表数组HashEntry下标（插入/删除时，获取链表头） --> 遍历链表【查询：调用equals()进行比对，找到与所查找key相等的结点并读取；插入：如果找到相同的key的结点则更新value值，如果没有则插入新结点；删除：找到被删除结点后，以被删除结点的next结点开始建立新的链表，然后再把原链表头直到被删结点的前继结点依次复制、插入新链表，最后把新链表头设置为当前数组下标元素取代旧链表。

JDK1.8ConcurrentHashMap

JDK1.8中的ConcurrentHashMap在JDK1.7上做了很多优化：

1. 取消segments字段，直接采用transient volatile HashEntry<K,V>[] table保存数据，采用table数组元素作为锁，从而实现了对每一行数据进行加锁，通过进一步降低锁粒度来减少并发冲突的概率

2. 将原先table数组＋链表的数据结构，变更为table数组＋链表＋红黑树的结构。对于hash表来说，最核心的能力在于将key hash之后能均匀的分布在数组中。如果hash之后散列的很均匀，那么table数组中的每个队列长度主要为0或者1。但实际情况并非总是如此理想，虽然ConcurrentHashMap类默认的加载因子为0.75，但是在数据量过大或者运气不佳的情况下，还是会存在一些队列长度过长的情况，如果还是采用单向列表方式，那么查询某个节点的时间复杂度为O(n)；因此，对于个数超过8(默认值)的列表，jdk1.8中采用了红黑树的结构，那么查询的时间复杂度可以降低到O(logN)，可以改进性能

3. 新增字段transient volatile CounterCell[] counterCells，可方便的计算集合中所有元素的个数，性能大大优于jdk1.7中的size()方法

相信通过这些介绍，大家对于诸如"为什么选择ConcurrentHashMap？"会有很好的思路了。

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