Java高级特性增强-并发容器详解

问题导读

1.java常用集合类有哪些并发对象？
2.LinkedBlockingQueue原理是怎样的？
3.怎样用多个线程同时操作并且遍历queue？



Java并发容器大纲
我将JUC包中的集合类划分为3部分来进行说明。在简单的了解JUC包中集合类的框架之后，后面的章节再逐步对各个类进行介绍。

List和Set

JUC(java.util.concurrent)集合包中的List和Set实现类包括: CopyOnWriteArrayList CopyOnWriteArraySet ConcurrentSkipListSet ConcurrentSkipListSet稍后在说明Map时再说明, CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet的框架如下图所示：



CopyOnWriteArrayList相当于线程安全的ArrayList,它实现了List接口。CopyOnWriteArrayList是支持高并发的。 CopyOnWriteArraySet相当于线程安全的HashSet,它继承于AbstractSet类。

CopyOnWriteArraySet内部包含一个CopyOnWriteArrayList对象，它是通过CopyOnWriteArrayList实现的。

Map

JUC集合包中Map的实现类包括: ConcurrentHashMap和ConcurrentSkipListMap。它们的框架如下图所示：

• ConcurrentHashMap是线程安全的哈希表(相当于线程安全的HashMap)；它继承于AbstractMap类，并且实现ConcurrentMap接口。ConcurrentHashMap是通过“锁分段”来实现的，它支持并发。
  

• ConcurrentSkipListMap是线程安全的有序的哈希表(相当于线程安全的TreeMap); 它继承于AbstractMap类，并且实现ConcurrentNavigableMap接口。ConcurrentSkipListMap是通过“跳表”来实现的，它支持并发。
  

• ConcurrentSkipListSet是线程安全的有序的集合(相当于线程安全的TreeSet)；它继承于AbstractSet，并实现了NavigableSet接口。ConcurrentSkipListSet是通过ConcurrentSkipListMap实现的，它也支持并发。
  

Queue

JUC集合包中Queue的实现类包括: ArrayBlockingQueue, LinkedBlockingQueue, LinkedBlockingDeque, ConcurrentLinkedQueue和ConcurrentLinkedDeque。它们的框架如下图所示：

• ArrayBlockingQueue是数组实现的线程安全的有界的阻塞队列。
  

• LinkedBlockingQueue是单向链表实现的(指定大小)阻塞队列，该队列按 FIFO（先进先出）排序元素。
  

• LinkedBlockingDeque是双向链表实现的(指定大小)双向并发阻塞队列，该阻塞队列同时支持FIFO和FILO两种操作方式。
  

• ConcurrentLinkedQueue是单向链表实现的无界队列，该队列按 FIFO（先进先出）排序元素。
  

• ConcurrentLinkedDeque是双向链表实现的无界队列，该队列同时支持FIFO和FILO两种操作方式。
  

LinkedBlockingQueue介绍

LinkedBlockingQueue是一个单向链表实现的阻塞队列。该队列按 FIFO（先进先出）排序元素，新元素插入到队列的尾部，并且队列获取操作会获得位于队列头部的元素。链接队列的吞吐量通常要高于基于数组的队列，但是在大多数并发应用程序中，其可预知的性能要低。

此外，LinkedBlockingQueue还是可选容量的(防止过度膨胀)，即可以指定队列的容量。如果不指定，默认容量大小等于Integer.MAX_VALUE。

LinkedBlockingQueue原理和数据结构

LinkedBlockingQueue的数据结构，如下图所示：



说明：

• LinkedBlockingQueue继承于AbstractQueue，它本质上是一个FIFO(先进先出)的队列。
  

• LinkedBlockingQueue实现了BlockingQueue接口，它支持多线程并发。当多线程竞争同一个资源时，某线程获取到该资源之后，其它线程需要阻塞等待。
  

• LinkedBlockingQueue是通过单链表实现的: (01) head是链表的表头。取出数据时，都是从表头head处插入。 (02) last是链表的表尾。新增数据时，都是从表尾last处插入。(03) count是链表的实际大小，即当前链表中包含的节点个数。(04) capacity是列表的容量，它是在创建链表时指定的。 (05) putLock是插入锁，takeLock是取出锁；notEmpty是“非空条件”，notFull是“未满条件”。通过它们对链表进行并发控制。        LinkedBlockingQueue在实现“多线程对竞争资源的互斥访问”时，对于“插入”和“取出(删除)”操作分别使用了不同的锁。对于插入操作，通过“插入锁putLock”进行同步；对于取出操作，通过“取出锁takeLock”进行同步。        此外，插入锁putLock和“非满条件notFull”相关联，取出锁takeLock和“非空条件notEmpty”相关联。通过notFull和notEmpty更细腻的控制锁。
  

若某线程(线程A)要取出数据时，队列正好为空，则该线程会执行notEmpty.await()进行等待；当其它某个线程(线程B)向队列中插入了数据之后，会调用notEmpty.signal()唤醒“notEmpty上的等待线程”。此时，线程A会被唤醒从而得以继续运行。 此外，线程A在执行取操作前，会获取takeLock，在取操作执行完毕再释放takeLock。


若某线程(线程H)要插入数据时，队列已满，则该线程会它执行notFull.await()进行等待；当其它某个线程(线程I)取出数据之后，会调用notFull.signal()唤醒“notFull上的等待线程”。此时，线程H就会被唤醒从而得以继续运行。 此外，线程H在执行插入操作前，会获取putLock，在插入操作执行完毕才释放putLock。

LinkedBlockingQueue函数列表

[mw_shl_code=text,true]// 创建一个容量为 Integer.MAX_VALUE 的 LinkedBlockingQueue。
LinkedBlockingQueue()
// 创建一个容量是 Integer.MAX_VALUE 的 LinkedBlockingQueue，最初包含给定 collection 的元素，元素按该 collection 迭代器的遍历顺序添加。
LinkedBlockingQueue(Collection<? extends E> c)
// 创建一个具有给定（固定）容量的 LinkedBlockingQueue。
LinkedBlockingQueue(int capacity)

// 从队列彻底移除所有元素。
void clear()
// 移除此队列中所有可用的元素，并将它们添加到给定 collection 中。
int drainTo(Collection<? super E> c)
// 最多从此队列中移除给定数量的可用元素，并将这些元素添加到给定 collection 中。
int drainTo(Collection<? super E> c, int maxElements)
// 返回在队列中的元素上按适当顺序进行迭代的迭代器。
Iterator<E> iterator()
// 将指定元素插入到此队列的尾部（如果立即可行且不会超出此队列的容量），在成功时返回 true，如果此队列已满，则返回 false。
boolean offer(E e)
// 将指定元素插入到此队列的尾部，如有必要，则等待指定的时间以使空间变得可用。
boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
// 获取但不移除此队列的头；如果此队列为空，则返回 null。
E peek()
// 获取并移除此队列的头，如果此队列为空，则返回 null。
E poll()
// 获取并移除此队列的头部，在指定的等待时间前等待可用的元素（如果有必要）。
E poll(long timeout, TimeUnit unit)
// 将指定元素插入到此队列的尾部，如有必要，则等待空间变得可用。
void put(E e)
// 返回理想情况下（没有内存和资源约束）此队列可接受并且不会被阻塞的附加元素数量。
int remainingCapacity()
// 从此队列移除指定元素的单个实例（如果存在）。
boolean remove(Object o)
// 返回队列中的元素个数。
int size()
// 获取并移除此队列的头部，在元素变得可用之前一直等待（如果有必要）。
E take()
// 返回按适当顺序包含此队列中所有元素的数组。
Object[] toArray()
// 返回按适当顺序包含此队列中所有元素的数组；返回数组的运行时类型是指定数组的运行时类型。
<T> T[] toArray(T[] a)
// 返回此 collection 的字符串表示形式。
String toString()
[/mw_shl_code]

LinkedBlockingQueue源码分析

下面从LinkedBlockingQueue的创建，添加，删除，遍历这几个方面对它进行分析。

1. 创建

下面以LinkedBlockingQueue(int capacity)来进行说明。

[mw_shl_code=java,true]public LinkedBlockingQueue(int capacity) {
    if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();
    this.capacity = capacity;
    last = head = new Node<E>(null);
}[/mw_shl_code]

说明： (01) capacity是“链式阻塞队列”的容量。 (02) head和last是“链式阻塞队列”的首节点和尾节点。它们在LinkedBlockingQueue中的声明如下：

[mw_shl_code=java,true]// 容量
private final int capacity;
// 当前数量
private final AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
private transient Node<E> head; // 链表的表头
private transient Node<E> last; // 链表的表尾
// 用于控制“删除元素”的互斥锁takeLock 和 锁对应的“非空条件”notEmpty
private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();
private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();
// 用于控制“添加元素”的互斥锁putLock 和 锁对应的“非满条件”notFull
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();
private final Condition notFull = putLock.newCondition();[/mw_shl_code]

链表的节点定义如下：

[mw_shl_code=java,true]static class Node<E> {
    E item;         // 数据
    Node<E> next;   // 下一个节点的指针

    Node(E x) { item = x; }
}[/mw_shl_code]

2. 添加

下面以offer(E e)为例，对LinkedBlockingQueue的添加方法进行说明。

[mw_shl_code=java,true]public boolean offer(E e) {
    if (e == null) throw new NullPointerException();
    // 如果“队列已满”，则返回false，表示插入失败。
    final AtomicInteger count = this.count;
    if (count.get() == capacity)
        return false;
    int c = -1;
    // 新建“节点e”
    Node<E> node = new Node(e);
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    // 获取“插入锁putLock”
    putLock.lock();
    try {
        // 再次对“队列是不是满”的进行判断。
        // 若“队列未满”，则插入节点。
        if (count.get() < capacity) {
            // 插入节点
            enqueue(node);
            // 将“当前节点数量”+1，并返回“原始的数量”
            c = count.getAndIncrement();
            // 如果在插入元素之后，队列仍然未满，则唤醒notFull上的等待线程。
            if (c + 1 < capacity)
                notFull.signal();
        }
    } finally {
        // 释放“插入锁putLock”
        putLock.unlock();
    }
    // 如果在插入节点前，队列为空；则插入节点后，唤醒notEmpty上的等待线程
    if (c == 0)
        signalNotEmpty();
    return c >= 0;
}[/mw_shl_code]

说明：offer()的作用很简单，就是将元素E添加到队列的末尾。 enqueue()的源码如下：

[mw_shl_code=java,true]private void enqueue(Node<E> node) {
    // assert putLock.isHeldByCurrentThread();
    // assert last.next == null;
    last = last.next = node;
}[/mw_shl_code]

enqueue()的作用是将node添加到队列末尾，并设置node为新的尾节点！ signalNotEmpty()的源码如下：

[mw_shl_code=java,true]private void signalNotEmpty() {
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    takeLock.lock();
    try {
        notEmpty.signal();
    } finally {
        takeLock.unlock();
    }
}[/mw_shl_code]

signalNotEmpty()的作用是唤醒notEmpty上的等待线程。

3. 取出

下面以take()为例，对LinkedBlockingQueue的取出方法进行说明。

[mw_shl_code=java,true]public E take() throws InterruptedException {
    E x;
    int c = -1;
    final AtomicInteger count = this.count;
    final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
    // 获取“取出锁”，若当前线程是中断状态，则抛出InterruptedException异常
    takeLock.lockInterruptibly();
    try {
        // 若“队列为空”，则一直等待。
        while (count.get() == 0) {
            notEmpty.await();
        }
        // 取出元素
        x = dequeue();
        // 取出元素之后，将“节点数量”-1；并返回“原始的节点数量”。
        c = count.getAndDecrement();
        if (c > 1)
            notEmpty.signal();
    } finally {
        // 释放“取出锁”
        takeLock.unlock();
    }
    // 如果在“取出元素之前”，队列是满的；则在取出元素之后，唤醒notFull上的等待线程。
    if (c == capacity)
        signalNotFull();
    return x;
}[/mw_shl_code]

说明：take()的作用是取出并返回队列的头。若队列为空，则一直等待。 dequeue()的源码如下：

[mw_shl_code=java,true]private E dequeue() {
    // assert takeLock.isHeldByCurrentThread();
    // assert head.item == null;
    Node<E> h = head;
    Node<E> first = h.next;
    h.next = h; // help GC
    head = first;
    E x = first.item;
    first.item = null;
    return x;
}[/mw_shl_code]

dequeue()的作用就是删除队列的头节点，并将表头指向“原头节点的下一个节点”。 signalNotFull()的源码如下：

[mw_shl_code=java,true]private void signalNotFull() {
    final ReentrantLock putLock = this.putLock;
    putLock.lock();
    try {
        notFull.signal();
    } finally {
        putLock.unlock();
    }
}[/mw_shl_code]

signalNotFull()的作用就是唤醒notFull上的等待线程。

4. 遍历

下面对LinkedBlockingQueue的遍历方法进行说明。

[mw_shl_code=java,true]public Iterator<E> iterator() {
  return new Itr();
}[/mw_shl_code]

iterator()实际上是返回一个Iter对象。 Itr类的定义如下：

[mw_shl_code=java,true]private class Itr implements Iterator<E> {
    // 当前节点
    private Node<E> current;
    // 上一次返回的节点
    private Node<E> lastRet;
    // 当前节点对应的值
    private E currentElement;

    Itr() {
        // 同时获取“插入锁putLock” 和 “取出锁takeLock”
        fullyLock();
        try {
            // 设置“当前元素”为“队列表头的下一节点”，即为队列的第一个有效节点
            current = head.next;
            if (current != null)
                currentElement = current.item;
        } finally {
            // 释放“插入锁putLock” 和 “取出锁takeLock”
            fullyUnlock();
        }
    }

    // 返回“下一个节点是否为null”
    public boolean hasNext() {
        return current != null;
    }

    private Node<E> nextNode(Node<E> p) {
        for (;;) {
            Node<E> s = p.next;
            if (s == p)
                return head.next;
            if (s == null || s.item != null)
                return s;
            p = s;
        }
    }

    // 返回下一个节点
    public E next() {
        fullyLock();
        try {
            if (current == null)
                throw new NoSuchElementException();
            E x = currentElement;
            lastRet = current;
            current = nextNode(current);
            currentElement = (current == null) ? null : current.item;
            return x;
        } finally {
            fullyUnlock();
        }
    }

    // 删除下一个节点
    public void remove() {
        if (lastRet == null)
            throw new IllegalStateException();
        fullyLock();
        try {
            Node<E> node = lastRet;
            lastRet = null;
            for (Node<E> trail = head, p = trail.next;
                 p != null;
                 trail = p, p = p.next) {
                if (p == node) {
                    unlink(p, trail);
                    break;
                }
            }
        } finally {
            fullyUnlock();
        }
    }
}
[/mw_shl_code]

LinkedBlockingQueue示例
[mw_shl_code=java,true]import java.util.*;
import java.util.concurrent.*;

/*
*   LinkedBlockingQueue是“线程安全”的队列，而LinkedList是非线程安全的。
*
*   下面是“多个线程同时操作并且遍历queue”的示例
*   (01) 当queue是LinkedBlockingQueue对象时，程序能正常运行。
*   (02) 当queue是LinkedList对象时，程序会产生ConcurrentModificationException异常。
*
*/
public class LinkedBlockingQueueDemo1 {

    // TODO: queue是LinkedList对象时，程序会出错。
    //private static Queue<String> queue = new LinkedList<String>();
    private static Queue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<String>();
    public static void main(String[] args) {
   
        // 同时启动两个线程对queue进行操作！
        new MyThread("ta").start();
        new MyThread("tb").start();
    }

    private static void printAll() {
        String value;
        Iterator iter = queue.iterator();
        while(iter.hasNext()) {
            value = (String)iter.next();
            System.out.print(value+", ");
        }
        System.out.println();
    }

    private static class MyThread extends Thread {
        MyThread(String name) {
            super(name);
        }
        @Override
        public void run() {
                int i = 0;
            while (i++ < 6) {
                // “线程名” + "-" + "序号"
                String val = Thread.currentThread().getName()+i;
                queue.add(val);
                // 通过“Iterator”遍历queue。
                printAll();
            }
        }
    }
}[/mw_shl_code]

其中一次运行结果：

[mw_shl_code=text,true]tb1, ta1,
tb1, ta1, ta2,
tb1, ta1, ta2, ta3,
tb1, ta1, ta2, ta3, ta4,
tb1, ta1, tb1, ta2, ta1, ta3, ta2, ta4, ta3, ta5,
ta4, tb1, ta5, ta1, ta6,
ta2, tb1, ta3, ta1, ta4, ta2, ta5, ta3, ta6, ta4, tb2,
ta5, ta6, tb2,
tb1, ta1, ta2, ta3, ta4, ta5, ta6, tb2, tb3,
tb1, ta1, ta2, ta3, ta4, ta5, ta6, tb2, tb3, tb4,
tb1, ta1, ta2, ta3, ta4, ta5, ta6, tb2, tb3, tb4, tb5,
tb1, ta1, ta2, ta3, ta4, ta5, ta6, tb2, tb3, tb4, tb5, tb6,[/mw_shl_code]

结果说明： 示例程序中，启动两个线程(线程ta和线程tb)分别对LinkedBlockingQueue进行操作。以线程ta而言，它会先获取“线程名”+“序号”，然后将该字符串添加到LinkedBlockingQueue中；接着，遍历并输出LinkedBlockingQueue中的全部元素。 线程tb的操作和线程ta一样，只不过线程tb的名字和线程ta的名字不同。 当queue是LinkedBlockingQueue对象时，程序能正常运行。如果将queue改为LinkedList时，程序会产生ConcurrentModificationException异常。

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作者：wangzhiwubigdata
来源：github
原文：大数据成神之路-Java高级特性增强(并发容器大纲).md