如何理解Java并发容器J.U.C

本篇文章为大家展示了如何理解Java并发容器J.U.C，内容简明扼要并且容易理解，绝对能使你眼前一亮，通过这篇文章的详细介绍希望你能有所收获。

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> J.U.C是java.util.concurrent的简写,里面提供了很多线程安全的集合。

CopyOnWriteArrayList介绍

> CopyOnWriteArrayList相比于ArrayList是线程安全的,字面意思是写操作时复制。CopyOnWriteArrayList使用写操作时复制技术,当有新元素需要加入时,先从原数组拷贝一份出来。然后在新数组里面加锁添加,添加之后,将原来数组的引用指向新数组。

 public boolean add(E e) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock(); //加锁
        try {
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
            newElements[len] = e;
            //引用指向更改
            setArray(newElements);
            return true;
        } finally {
            lock.unlock(); //释放锁
        }
    }

> 从上面的源码中得到CopyOnWriteArrayList的add操作是在加锁的保护下完成的。加锁是为了多线程对CopyOnWriteArrayList并发add时,复制多个副本,把数据搞乱。

public E get(int index) {
        return get(getArray(), index);
}

> 以上代码显示get是没有加锁的

> 如果出现并发get,会有以下3中情况。

  • 如果写操作未完成，那么直接读取原数组的数据；

  • 如果写操作完成，但是引用还未指向新数组，那么也是读取原数组数据；

  • 如果写操作完成，并且引用已经指向了新的数组，那么直接从新数组中读取数据。

CopyOnWriteArrayList多线程代码演示。

package com.rumenz.task;

import java.util.List;
import java.util.concurrent.*;


//线程安全
public class CopyOnWrireArrayListExample {

    public static Integer clientTotal=5000;
    public static Integer threadTotal=200;

   private static List list=new CopyOnWriteArrayList();

    public static void main(String[] args) throws Exception{
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        final Semaphore semaphore=new Semaphore(threadTotal);
        final CountDownLatch countDownLatch=new CountDownLatch(clientTotal);
        for (int i = 0; i < clientTotal; i++) {
            final Integer j=i;
            executorService.execute(()->{
                try{
                    semaphore.acquire();
                    update(j);
                    semaphore.release();
                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }
                countDownLatch.countDown();

            });


        }
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();
        System.out.println("size:"+list.size());
    }

    private static void update(Integer j) {
        list.add(j);
    }
}

//size:5000

CopyOnWriteArrayList使用场景

  • 由于在add的时候需要拷贝原数组,如果原数组内容比较多,比较大,可能会导致young gc和full gc。

  • 不能用于实时读的场景,像拷贝数组,新增元素都需要时间,所以调用get操作后,有可能得到的数据是旧数据,虽然CopyOnWriteArrayList能做到最终一致性,但是没有办法满足实时性要求。

  • CopyOnWriteArrayList适合读多写少的场景,比如白名单，黑名单等场景

  • CopyOnWriteArrayList由于add时需要复制数组,所以不适用高性能的互联网的应用。

CopyOnWriteArraySet介绍

public CopyOnWriteArraySet() {
        al = new CopyOnWriteArrayList();
}

> CopyOnWriteArraySet底层是用CopyOnWriteArraySet来实现的。可变操作(add,set,remove等)都需要拷贝原数组进行操作,一般开销很大。迭代器支持hasNext(),netx()等不可变操作,不支持可变的remove操作,使用迭代器速度很快,并且不会与其它线程冲突,在构造迭代器时,依赖不变的数组快照。

CopyOnWriteArraySet多线代码演示

package com.rumenz.task;

import java.util.List;
import java.util.Set;
import java.util.concurrent.*;


//线程安全
public class CopyOnWrireArraySetExample {

    public static Integer clientTotal=5000;
    public static Integer threadTotal=200;

   private static Set set=new CopyOnWriteArraySet();

    public static void main(String[] args) throws Exception{
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        final Semaphore semaphore=new Semaphore(threadTotal);
        final CountDownLatch countDownLatch=new CountDownLatch(clientTotal);
        for (int i = 0; i < clientTotal; i++) {
            final Integer j=i;
            executorService.execute(()->{
                try{
                    semaphore.acquire();
                    update(j);
                    semaphore.release();
                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }
                countDownLatch.countDown();

            });


        }
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();
        System.out.println("size:"+set.size());
    }

    private static void update(Integer j) {
        set.add(j);
    }
}
//size:5000

CopyOnWriteArraySet使用场景

  • 适用于set大小一般很小，读操作远远多于写操作的场景

ConcurrentSkipListSet

public ConcurrentSkipListSet() {
     m = new ConcurrentSkipListMap();
}

> ConcurrentSkipListSet是jdk6新增的类,支持自然排序,位于java.util.concurrent。ConcurrentSkipListSet都是基于Map集合的,底层由ConcurrentSkipListMap实现。

> 在多线程环境下,ConcurrentSkipListSet的add,remove,contains是线程安全的。但是对于批量操作addAll,removeAll,containsAll并不能保证原子操作,所以是线程不安全的,原因是addAll,removeAll,containsAll底层调用的还是add,remove,contains方法,在批量操作时,只能保证每一次的add,remove,contains是原子性的(即在进行add,remove,contains,不会被其它线程打断),而不能保证每一次批量操作都不会被其它线程打断,因此在addAll、removeAll、retainAll 和 containsAll操作时，需要添加额外的同步操作。

public boolean addAll(Collection c) {
        boolean modified = false;
        for (E e : c)
            if (add(e))
                modified = true;
        return modified;
}

public boolean removeAll(Collection c) {
        Objects.requireNonNull(c);
        boolean modified = false;
        Iterator it = iterator();
        while (it.hasNext()) {
            if (c.contains(it.next())) {
                it.remove();
                modified = true;
            }
        }
        return modified;
}

public boolean containsAll(Collection c) {
        for (Object e : c)
            if (!contains(e))
                return false;
        return true;
}

ConcurrentSkipListSet代码演示

package com.rumenz.task;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Set;
import java.util.concurrent.*;


//线程安全
public class CopyOnWrireArrayListExample {

    public static Integer clientTotal=5000;
    public static Integer threadTotal=200;

    private static Set set= new ConcurrentSkipListSet();

    public static void main(String[] args) throws Exception{
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        final Semaphore semaphore=new Semaphore(threadTotal);
        final CountDownLatch countDownLatch=new CountDownLatch(clientTotal);
        for (int i = 0; i < clientTotal; i++) {
            final Integer j=i;
            executorService.execute(()->{
                try{
                    semaphore.acquire();
                    update(j);
                    semaphore.release();
                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }
                countDownLatch.countDown();

            });
        }
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();
        System.out.println("size:"+set.size());
    }


    private static void update(Integer r) {
        set.add(r);
    }
}

//size:5000

ConcurrentHashMap

> ConcurrentHashMap中key和value都不允许为null,ConcurrentHashMap针对读操作做了大量的优化。在高并发场景很有优势。

> 在多线程环境下,使用HashMap进行put操作会引起死循环,导致CPU利用率到100%,所以在多线程环境不能随意使用HashMap。原因分析:HashMap在进行put的时候,插入的元素超过了容量就会发生rehash扩容,这个操作会把原来的元素hash到新的扩容新的数组,在多线程情况下,如果此时有其它线程在进行put操作,如果Hash值相同,可能出现在同一数组下用链表表示,造成闭环,导致get的时候出现死循环,所以是线程不安全的。

> HashTable它是线程安全的,它涉及到多线程的操作都synchronized关键字来锁住整个table,这就意味着所有的线程都在竞争同一把锁,在多线程环境下是安全的,但是效率很低。

> HashTable有很多的优化空间，锁住整个table这么粗暴的方法可以变相的柔和点，比如在多线程的环境下，对不同的数据集进行操作时其实根本就不需要去竞争一个锁，因为他们不同hash值，不会因为rehash造成线程不安全，所以互不影响，这就是锁分离技术，将锁的粒度降低，利用多个锁来控制多个小的table，多线程访问容器里不同数据段的数据时，线程间就不会存在锁竞争，从而可以有效的提高并发访问效率，这就是ConcurrentHashMapJDK1.7版本的核心思想。

ConcurrentHashMap代码演示案例

package com.rumenz.task;

import java.util.Map;
import java.util.Set;
import java.util.concurrent.*;


//线程安全
public class ConcurrentHashMapExample {

    public static Integer clientTotal=5000;
    public static Integer threadTotal=200;

   private static Map map=new ConcurrentHashMap();

    public static void main(String[] args) throws Exception{
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        final Semaphore semaphore=new Semaphore(threadTotal);
        final CountDownLatch countDownLatch=new CountDownLatch(clientTotal);
        for (int i = 0; i < clientTotal; i++) {
            final Integer j=i;
            executorService.execute(()->{
                try{
                    semaphore.acquire();
                    update(j);
                    semaphore.release();
                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }
                countDownLatch.countDown();

            });
        }
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();
        System.out.println("size:"+map.size());
    }

    private static void update(Integer j) {
        map.put(j, j);
    }
}
//size:5000

ConcurrentSkipListMap

> ConcurrentSkipListMap内部使用SkipList结构实现。跳表是一个链表,但是通过跳跃式的查找方式使得插入,读取数据时的时间复杂度变成O(log n)。

> 跳表(SkipList):使用空间换时间的算法,令链表的每个结点不仅记录next结点位置，还可以按照level层级分别记录后继第level个结点。

如何理解Java并发容器J.U.C

ConcurrentSkipListMap代码案例

package com.rumenz.task;

import java.util.Map;
import java.util.concurrent.*;


//线程安全
public class ConcurrentSkipListMapExample {

    public static Integer clientTotal=5000;
    public static Integer threadTotal=200;

   private static Map map=new ConcurrentSkipListMap<>();

    public static void main(String[] args) throws Exception{
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        final Semaphore semaphore=new Semaphore(threadTotal);
        final CountDownLatch countDownLatch=new CountDownLatch(clientTotal);
        for (int i = 0; i < clientTotal; i++) {
            final Integer j=i;
            executorService.execute(()->{
                try{
                    semaphore.acquire();
                    update(j);
                    semaphore.release();
                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }
                countDownLatch.countDown();

            });


        }
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();
        System.out.println("size:"+map.size());
    }

    private static void update(Integer j) {
        map.put(j, j);
    }
}

//size:5000

ConcurrentHashMap与ConcurrentSkipListMap的对比

  • ConcurrentHashMap比ConcurrentSkipListMap性能要好一些。

  • ConcurrentSkipListMap的key是有序的,ConcurrentHashMap做不到。

  • ConcurrentSkipListMap支持高并发,它的时间复杂度是log(N),和线程数无关,也就是说任务一定的情况下,并发的线程越多,ConcurrentSkipListMap的优势就越能体现出来。

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