spring

同步容器与JUC并发容器的对比与介绍

1 容器集简单介绍

java.util包下面的容器集主要有两种，一种是Collection接口下面的List和Set，一种是Map,
大致结构如下：

  • Collection

    • List
      • LinkedList
      • ArrayList
      • Vector
        • Stack
    • Set
      • HashSet
      • TreeSet
      • LinkedSet

  • Map

    • Hashtable
    • HashMap
    • WeakHashMap

2 同步容器

同步容器也叫线程安全容器，是通过syncrhoized关键字对线程不安全的操作进行加锁来保证线程安全的
其中同步容器主要包括:
1.Vector、Stack、HashTable
2.Collections 工具类中提供的同步集合类
Collections类是一个工具类，相当于Arrays类对于Array的支持，Collections类中提供了大量对集合或者容器进行排序、查找的方法。它还提供了几个静态方法来创建同步容器类：

3 并发容器

java.util.concurrent提供了多种线程安全容器，大多数是使用系统底层技术实现的线程安全，也叫并发容器，类似native。Java8中使用CAS。

4 案例讲解

这里主要介绍一些常见的同步容器和并发容器，通过案例输出结果对比进行介绍
我大致分为了三类Map/Set,List,Queue来进行讲解,但一个Map/Set，只介绍了Map,因为在java的设计中，Set就是Map，说白了就是只有Key没有Value的Map，好了，现在开始进入正题

4.1 Map/Set

代码中new了三个Map,HashTable，ConcurrentHashMap，ConcurrentSkipListMap比较每个map的运行效率，起100个线程向map中存放10000条随机数，并通过门闩CountDownLatch控制运行状态，输出运行时间

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/**
 * 并发容器 - ConcurrentMap
 */
package com.bernardlowe.concurrent.t06;

import java.util.HashMap;
import java.util.Hashtable;
import java.util.Map;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.ConcurrentSkipListMap;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class Test_01_ConcurrentMap {
	
	public static void main(String[] args) {
		final Map<String, String> map = new Hashtable<>();
		// final Map<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();
		// final Map<String, String> map = new ConcurrentSkipListMap<>();
		final Random r = new Random();
		Thread[] array = new Thread[100];
		final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(array.length);
		
		long begin = System.currentTimeMillis();
		for(int i = 0; i < array.length; i++){
			array[i] = new Thread(new Runnable() {
				@Override
				public void run() {
					for(int j = 0; j < 10000; j++){
						map.put("key"+r.nextInt(100000000), "value"+r.nextInt(100000));
					}
					latch.countDown();
				}
			});
		}
		for(Thread t : array){
			t.start();
		}
		try {
			latch.await();
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		long end = System.currentTimeMillis();
		System.out.println("执行时间为 ： " + (end-begin) + "毫秒！");
	}

}

Hashtable结果：

ConcurrentHashMap结果：

ConcurrentSkipListMap结果:

ConcurrentHashMap的底层是哈希实现的同步Map(Set)
ConcurrentSkipListMap内部是SkipList（跳表）结构实现的非阻塞读/写/删除 的 Map，它的value是有序存储的, 而且其内部是由纵横链表组成，在JDK1.8中，ConcurrentHashMap的性能和存储空间要优于ConcurrentSkipListMap

为了让测试数据结果对比更加直观，我这里故意将生成的随机数调的比较大。这里需要注意一下，在测试的时候，如果机器性能比较好，可能结果会出现误差，因为System.currentTimeMillis()，这个方法调用了个native方法，获取的时间精度会依赖于操作系统的实现机制，具体为什么，可以看看这篇文章http://blog.sina.com.cn/s/blog_6b8bd9d80101fe8t.html。但我按照文档的办法将System.currentTimeMillis()改为System.nanoTime()，发现并没有解决这个问题，可能是因为并没有达到纳秒级别吧。

4.2 List

下面代码与4.1的代码类似，也是new了三个List,ArrayList，Vector，CopyOnWriteArrayList，起100个线程向map中存放1000条随机数，并通过门闩CountDownLatch控制运行状态，输出运行时间和最后list的的长度。由于ArrayList是线程不安全，在多线程执行的时候，需要try{}catch{},否则会因为数组越界而报错，因为ArrayList底层是一个长度动态扩展的数组 

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/**
 * 并发容器 - CopyOnWriteList
 */
package com.bernardlowe.concurrent.t06;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Random;
import java.util.Vector;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class Test_02_CopyOnWriteList {
	
	public static void main(String[] args) {
		 final List<String> list = new ArrayList<String>(); // 线程不安全
//		 final List<String> list = new Vector<>(); // 线程安全
//		final List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>(); // 线程安全
		final Random r = new Random();
		Thread[] array = new Thread[100];
		final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(array.length);
		
		long begin = System.currentTimeMillis();
		for(int i = 0; i < array.length; i++){
			array[i] = new Thread(new Runnable() {
				@Override
				public void run() {
					for(int j = 0; j < 1000; j++){
						try {
							list.add("value" + r.nextInt(100000));
						} catch (Exception e) {

						}
					}
					latch.countDown();
				}
			});
		}
		for(Thread t : array){
			t.start();
		}
		try {
			latch.await();
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		long end = System.currentTimeMillis();
		System.out.println("执行时间为 ： " + (end-begin) + "毫秒！");
		System.out.println("List.size() : " + list.size());
	}

}

ArrayList结果：因为ArrayList是线程不安全的，所以在多线程环境中，可能会丢失数据

Vector结果：

CopyOnWriteArrayList结果：

CopyOnWriteArrayList是读写分离的，写时复制出一个新的数组，完成插入、修改或者移除操作后将新数组赋值给array，读取时直接读取最新的数组，所以在写操作时，效率非常低（虽然写比较慢，但它在删除数组头和尾还是很快的）
从上面三个结果可以看出,CopyOnWriteArrayList虽然保证了线程安全，但它的写操作效率太低了，但相比Vector，并发安全且性能比Vector好，Vector是增删改查方法都加了synchronized，保证同步，但是每个方法执行的时候都要去获得锁，性能就会大大下降，而CopyOnWriteArrayList 只是在增删改上加锁，但是读不加锁，在读方面的性能就好于Vector，CopyOnWriteArrayList支持读多写少的并发情况，所以CopyOnWriteArrayList是不会存在脏读问题的

4.3 Queue

常用阻塞队列

  • ArrayBlockingQueue: 一个数组结构组成的有界阻塞队列，按照先进先出原则，要求设定初始大小
  • LinkedBlockingQueue: 一个由链表结构组成的有界队列，按照先进先出的原则，可以不设置初始大小，默认为Integer.Max_Value(0x7fffffff)

    ArrayBlockingQueue只有一个锁，LinkedBlockingQueue用了两个锁

  • PriorityBlockingQueue:一个支持优先级排序的无界阻塞队列，默认按照自然顺序，要么实现compareTo()方法，指定构造方法Comparator
  • DelayQueue: 一个使用优先级队列实现的无界阻塞队列
  • SynchronousQueue: 一个不存储元素的阻塞队列
  • LinkedTransferQueue：一个又链表结构组成的无界阻塞队列
  • LinkedBlockDeque:一个由链表结构组成的双向阻塞队列，可以从队列的头和尾部插入和移除元素，实现工作的密取

4.3.1 ConcurrentLinkedQueue

基础链表同步队列

peek() -> 查看queue中的首数据
poll() -> 获取queue中的首数据

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/**
 * 并发容器 - ConcurrentLinkedQueue
 *  队列 - 链表实现的。 
 */
package com.bernardlowe.concurrent.t06;

import java.util.Queue;
import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;

public class Test_03_ConcurrentLinkedQueue {
	
	public static void main(String[] args) {
		Queue<String> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();

		//向队列中增加10个数据
		for(int i = 0; i < 10; i++){
			queue.offer("value" + i);
		}
		
		System.out.println(queue);
		System.out.println(queue.size());

		// peek() -> 查看queue中的首数据，
		System.out.println("首数据 " + queue.peek());
		System.out.println("队列长度 "+ queue.size());
		System.out.println("===================");
		// poll() -> 获取queue中的首数据
		System.out.println("首数据 " + queue.peek());
		System.out.println("队列长度 "+ queue.size());
	}

}


结果：

4.3.2 阻塞队列LinkedBlockingQueue

阻塞队列，队列容量不足自动阻塞，队列容量为0自动阻塞。

put & take - 自动阻塞
put自动阻塞， 队列容量满后，自动阻塞
take自动阻塞方法， 队列容量为0后，自动阻塞

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/**
 * 并发容器 - LinkedBlockingQueue
 *  阻塞容器。
 */
package com.bernardlowe.concurrent.t06;

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class Test_04_LinkedBlockingQueue {
	
	final BlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<>();
	final Random r = new Random();
	
	public static void main(String[] args) {
		final Test_04_LinkedBlockingQueue t = new Test_04_LinkedBlockingQueue();
		
		new Thread(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				while(true){
					try {
						t.queue.put("value"+t.r.nextInt(1000));
						TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
					} catch (InterruptedException e) {
						e.printStackTrace();
					}
				}
			}
		}, "producer").start();
		
		for(int i = 0; i < 3; i++){
			new Thread(new Runnable() {
				@Override
				public void run() {
					while(true){
						try {
							System.out.println(Thread.currentThread().getName() + 
									" - " + t.queue.take());
						} catch (InterruptedException e) {
							e.printStackTrace();
						}
					}
				}
			}, "consumer"+i).start();
		}
	}

}

结果：

结果就是一个简单的生产者消费者

4.3.3 BlockingQueue

底层数组实现的有界队列，当容量不足的时候，有阻塞能力，根据调用API（add/put/offer）不同，有不同特性
这里主要介绍三个api方法add，put，offer

  • add方法在容量不足的时候，抛出异常。
  • put方法在容量不足的时候，阻塞等待。
  • offer方法

    单参数offer方法，不阻塞。容量不足的时候，返回false。当前新增数据操作放弃。
    三参数offer方法（offer(value,times,timeunit)），容量不足的时候，阻塞times时长（单位为timeunit），如果在阻塞时长内，有容量空闲，新增数据返回true。如果阻塞时长范围内，无容量空闲，放弃新增数据，返回false。

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/**
 * 并发容器 - ArrayBlockingQueue
 *  有界容器。
 */
package com.bernardlowe.concurrent.t06;

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class Test_05_ArrayBlockingQueue {
	
	final BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<>(3);
	
	public static void main(String[] args) {
		final Test_05_ArrayBlockingQueue t = new Test_05_ArrayBlockingQueue();
		
		for(int i = 0; i < 5; i++){

			// 1.add method
			System.out.println("add method : " + t.queue.add("value"+i));

			// 2.put method
//			try {
//				t.queue.put("put"+i);
//			} catch (InterruptedException e) {
//				e.printStackTrace();
//			}
//			System.out.println("put method : " + i);

			// 3.offer method
//			System.out.println("offer method : " + t.queue.offer("value"+i));
//			try {
//				System.out.println("offer method : " +
//							t.queue.offer("value"+i, 1, TimeUnit.SECONDS));
//			} catch (InterruptedException e) {
//				e.printStackTrace();
//			}
		}
		
		System.out.println(t.queue);
	}

}

add方法结果：容量不足的时候，抛出异常

put方法结果：容量不足的时候，阻塞等待

单/多参数offer方法结果：


单参数offer：容量不足，直接返回结果，不阻塞
多参数offer：容量不足，阻塞

4.3.4 延时队列DelayQueue

延时队列。根据比较机制，实现自定义处理顺序的队列。常用于定时任务。
如：定时关机。
具体示例代码如下

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/**
 * 并发容器 - DelayQueue
 */
package com.bernardlowe.concurrent.t06;

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.DelayQueue;
import java.util.concurrent.Delayed;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class Test_06_DelayQueue {
	
	static BlockingQueue<MyTask_06> queue = new DelayQueue<>();
	
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		long value = System.currentTimeMillis();
		MyTask_06 task1 = new MyTask_06(value + 2000);
		MyTask_06 task2 = new MyTask_06(value + 1000);
		MyTask_06 task3 = new MyTask_06(value + 3000);
		MyTask_06 task4 = new MyTask_06(value + 2500);
		MyTask_06 task5 = new MyTask_06(value + 1500);
		
		queue.put(task1);
		queue.put(task2);
		queue.put(task3);
		queue.put(task4);
		queue.put(task5);
		
		System.out.println(queue);
		System.out.println(value);
		for(int i = 0; i < 5; i++){
			System.out.println(queue.take());
		}
	}

}

class MyTask_06 implements Delayed {
	
	private long compareValue;
	
	public MyTask_06(long compareValue){
		this.compareValue = compareValue;
	}

	/**
	 * 比较大小。自动实现升序
	 * 建议和getDelay方法配合完成。
	 * 如果在DelayQueue是需要按时间完成的计划任务，必须配合getDelay方法完成。
	 */
	@Override
	public int compareTo(Delayed o) {
		return (int)(this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS) - o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS));
	}

	/**
	 * 获取计划时长的方法。
	 * 根据参数TimeUnit来决定，如何返回结果值。
	 */
	@Override
	public long getDelay(TimeUnit unit) {
		return unit.convert(compareValue - System.currentTimeMillis(), TimeUnit.MILLISECONDS);
	}
	
	@Override
	public String toString(){
		return "Task compare value is : " + this.compareValue;
	}
	
}

结果：

4.3.5 转移队列LinkedTransferQueue

这里主要是两个方法的区别，add和transfer

  • add - 队列会保存数据，不做阻塞等待。
  • transfer - 是TransferQueue的特有方法。必须有消费者（take()方法的调用者）。
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    /**
     * 并发容器 - LinkedTransferQueue
     *  转移队列
     */
    package com.bernardlowe.concurrent.t06;

    import java.util.concurrent.LinkedTransferQueue;
    import java.util.concurrent.TimeUnit;
    import java.util.concurrent.TransferQueue;

    public class Test_07_TransferQueue {
    	
    	TransferQueue<String> queue = new LinkedTransferQueue<>();
    	
    	public static void main(String[] args) {
    		final Test_07_TransferQueue t = new Test_07_TransferQueue();
    		
    		/*new Thread(new Runnable() {
    			@Override
    			public void run() {
    				try {
    					System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " thread begin " );
    					System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - " + t.queue.take());
    				} catch (InterruptedException e) {
    					e.printStackTrace();
    				}
    			}
    		}, "output thread").start();

    		try {
    			TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
    		} catch (InterruptedException e) {
    			e.printStackTrace();
    		}

    		try {
    			t.queue.transfer("test string");
    		} catch (InterruptedException e) {
    			e.printStackTrace();
    		}*/
    		
    		new Thread(new Runnable() {

    			@Override
    			public void run() {
    				try {
    					t.queue.transfer("test string");
    					// t.queue.add("test string");
    					System.out.println("add ok");
    				} catch (Exception e) {
    					e.printStackTrace();
    				}
    			}
    		}).start();
    		
    		try {
    			TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
    		} catch (InterruptedException e) {
    			e.printStackTrace();
    		}

    		new Thread(new Runnable() {
    			@Override
    			public void run() {
    				try {
    					System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " thread begin " );
    					System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - " + t.queue.take());
    				} catch (InterruptedException e) {
    					e.printStackTrace();
    				}
    			}
    		}, "output thread").start();
    		
    	}

    }

    这里的transfer()和take()都是阻塞方法，take先请求接收数据或者transfer先发送数据，都会进行阻塞等待。
    举个例子，transfer()就相当与手机打电话，当A给B打电话，B必须接收到电话信号接听才能进行通话，否则A会一直等待
    add()就相当于A给B发短信，短信已经存到了运营商那边，等待B接收，不管发短信时B是否在线

4.3.6 SynchronousQueue

该队列一个容量为0的队列，是一个特殊的TransferQueue，它和TransferQueue很像，但这个队列必须要有消费线程才行
又两个方法add,put
add方法，无阻塞。若没有消费线程阻塞等待数据，则抛出异常。
put方法，有阻塞。若没有消费线程阻塞等待数据，则阻塞。 

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/**
 * 并发容器 - SynchronousQueue
 */
package com.bernardlowe.concurrent.t06;

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.SynchronousQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class Test_08_SynchronusQueue {
	
	BlockingQueue<String> queue = new SynchronousQueue<>();
	
	public static void main(String[] args) {
		final Test_08_SynchronusQueue t = new Test_08_SynchronusQueue();
		
		new Thread(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				try {
					System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " thread begin " );
					try {
						TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
					} catch (InterruptedException e) {
						e.printStackTrace();
					}
					System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - " + t.queue.take());
				} catch (InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
				}
			}
		}, "output thread").start();
		
		/*try {
			TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}*/
		// t.queue.add("test add");
		try {
			t.queue.put("test put");
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		
		System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " queue size : " + t.queue.size());
	}

}

将t.queue.add("test add");的注释打开，t.queue.put("test put");加上注释
add方法异常结果： 因为它是一个容量为0的队列

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