Java併發容器簡介

阿新 • • 發佈：2022-05-08

一、容器介紹

Java中的容器主要可以分為四大類，分別是List、Map、Set和Queue，不考慮多執行緒併發的情況下，容器類一般使用ArrayList、HashMap等執行緒不安全的類，效率更高。在併發場景下，常會用到ConcurrentHashMap、ArrayBlockingQueue等執行緒安全的容器類，雖然犧牲了一些效率，但卻得到了安全。

List list = Collections.
  synchronizedList(new ArrayList());
Set set = Collections.
  synchronizedSet(new HashSet());
Map map = Collections.
  synchronizedMap(new HashMap());

上面提到的這些經過包裝後執行緒安全容器，都是基於synchronized這個同步關鍵字實現，所以也被稱為同步容器，Java提供的同步容器還有Vector、Stack和Hashtable，這三個容器並不是基於包裝類實現，但同樣是基於synchronized實現的，對這三個容器的遍歷，同樣要加鎖保證互斥。

1.1 併發容器介紹

Java在1.5版本之前所謂的執行緒安全的容器，主要指的就是同步容器。不過同步容器有個最大的問題，那就是效能差，所有方法都用synchronized來保證互斥，序列度太高了。因此Java在1.5及之後版本提供了效能更高的容器，我們一般稱為併發容器。

ConcurrentHashMap：併發版HashMap
CopyOnWriteArrayList：併發版ArrayList
CopyOnWriteArraySet：併發Set
ConcurrentLinkedQueue：併發佇列(基於連結串列)
ConcurrentLinkedDeque：併發佇列(基於雙向連結串列)
ConcurrentSkipListMap：基於跳錶的併發Map
ConcurrentSkipListSet：基於跳錶的併發Set
ArrayBlockingQueue：阻塞佇列(基於陣列)
LinkedBlockingQueue：阻塞佇列(基於連結串列)
LinkedBlockingDeque：阻塞佇列(基於雙向連結串列)
PriorityBlockingQueue：執行緒安全的優先佇列
SynchronousQueue：讀寫成對的佇列
LinkedTransferQueue：基於連結串列的資料交換佇列
DelayQueue：延時佇列

二、List

2.1 CopyOnWriteArrayList

併發版ArrayList，底層結構也是陣列，和ArrayList不同之處在於：當新增和刪除元素時會建立一個新的陣列，在新的陣列中增加或者排除指定物件，最後用新增陣列替換原來的陣列。

適用場景：由於讀操作不加鎖，寫（增、刪、改）操作加鎖，因此適用於讀多寫少的場景。

侷限：由於讀的時候不會加鎖（讀的效率高，就和普通ArrayList一樣），讀取的當前副本，因此可能讀取到髒資料。如果介意，建議不用。

三、Map

3.1 ConcurrentHashMap

最常見的併發容器之一，可以用作併發場景下的快取。底層依然是雜湊表，但在JAVA 8

中有了不小的改變，而JAVA 7和JAVA 8都是用的比較多的版本，因此經常會將這兩個版本的實現方式做一些比較（比如面試中）。

一個比較大的差異就是，JAVA 7中採用分段鎖來減少鎖的競爭，JAVA 8中放棄了分段鎖，採用CAS（一種樂觀鎖），同時為了防止雜湊衝突嚴重時退化成連結串列（衝突時會在該位置生成一個連結串列，雜湊值相同的物件就鏈在一起），會在連結串列長度達到閾值8後轉換成紅黑樹（比起連結串列，樹的查詢效率更穩定）。

3.2 ConcurrentSkipListMap

SkipList即跳錶，跳錶是一種空間換時間的資料結構，通過冗餘資料，將連結串列一層一層索引，達到類似二分查詢的效果

四、Set

4.1 CopyOnWriteArraySet

基於CopyOnWriteArrayList實現（內含一個CopyOnWriteArrayList成員變數），也就是說底層是一個數組，意味著每次add都要遍歷整個集合才能知道是否存在，不存在時需要插入（加鎖）。

適用場景：在CopyOnWriteArrayList適用場景下加一個，集合別太大（全部遍歷傷不起）。

4.2 ConcurrentSkipListSet

類似HashSet和HashMap的關係，ConcurrentSkipListSet裡面就是一個ConcurrentSkipListMap，就不細說了。

五、Queue

5.1 BlockingQueue

5.1.1 ArrayBlockingQueue

基於陣列實現的可阻塞佇列，構造時必須制定陣列大小，往裡面放東西時如果陣列滿了便會阻塞直到有位置（也支援直接返回和超時等待），通過一個鎖ReentrantLock保證執行緒安全。

用offer操作舉個例子：

乍一看會有點疑惑，讀和寫都是同一個鎖，那要是空的時候正好一個讀執行緒來了不會一直阻塞嗎？

答案就在notEmpty、notFull裡，這兩個出自lock的小東西讓鎖有了類似synchronized + wait + notify的功能。

5.1.2 LinkedBlockingQueue

基於連結串列實現的阻塞佇列，想比與不阻塞的ConcurrentLinkedQueue，它多了一個容量限制，如果不設定預設為int最大值。

5.1.3 SynchronousQueue

一個虛假的佇列，因為它實際上沒有真正用於儲存元素的空間，每個插入操作都必須有對應的取出操作，沒取出時無法繼續放入。

一個簡單的例子感受一下：

可以看到，寫入的執行緒沒有任何sleep，可以說是全力往佇列放東西，而讀取的執行緒又很不積極，讀一個又sleep一會。輸出的結果卻是讀寫操作成對出現。

JAVA中一個使用場景就是

Executors.newCachedThreadPool()，建立一個快取執行緒池。

5.1.4 LinkedTransferQueue

實現了介面TransferQueue，通過transfer方法放入元素時，如果發現有執行緒在阻塞在取元素，會直接把這個元素給等待執行緒。如果沒有人等著消費，那麼會把這個元素放到佇列尾部，並且此方法阻塞直到有人讀取這個元素。和SynchronousQueue有點像，但比它更強大。

5.1.5 PriorityBlockingQueue

構造時可以傳入一個比較器，可以看做放進去的元素會被排序，然後讀取的時候按順序消費。某些低優先順序的元素可能長期無法被消費，因為不斷有更高優先順序的元素進來。

5.1.6 DelayQueue

可以使放入佇列的元素在指定的延時後才被消費者取出，元素需要實現Delayed介面。

5.2 BlockingDeque

5.2.1 LinkedBlockingDeque

類似LinkedBlockingQueue，但提供了雙向連結串列特有的操作。

5.3 ConcurrentLinkedQueue

基於連結串列實現的併發佇列，使用樂觀鎖(CAS)保證執行緒安全。因為資料結構是連結串列，所以理論上是沒有佇列大小限制的，也就是說新增資料一定能成功。

5.4 ConcurrentLinkedDeque

基於雙向連結串列實現的併發佇列，可以分別對頭尾進行操作，因此除了先進先出(FIFO)，也可以先進後出(FILO)，當然先進後出的話應該叫它棧了。

六、總結

上面簡單介紹了JAVA併發包下的一些容器類，知道有這些東西，遇到合適的場景時就能想起有個現成的東西可以用了。想要知其所以然，後續還得再深入探索一番。