《Java 7併發程式設計實戰手冊》第六章併發集合
由人民郵電出版社出版的《Java 7併發程式設計實戰手冊》終於出版了，譯者是俞黎敏和申紹勇，該書將於近期上架。之前併發程式設計網組織翻譯過此書，由於郵電出版社在併發網聯絡他們之前就找到了譯者，所以沒有采用併發網的譯稿，但郵電出版社將於併發網展開合作，釋出該書的樣章（樣章由併發網挑選，你也可以回帖告訴我們你想看哪一章的樣章），並組織贈書活動回饋給活躍讀者。活動詳情請時刻關注併發網的微博和微信(微訊號:ifeves)，最後祝各位用餐愉快！：）
本章將介紹下列內容：
- 使用非阻塞式執行緒安全列表
- 使用阻塞式執行緒安全列表
- 使用按優先順序排序的阻塞式執行緒安全列表
- 使用帶有延遲元素的執行緒安全列表
- 使用執行緒安全可遍歷對映
- 生成併發隨機數
- 使用原子變數
- 使用原子陣列
6.1 簡介
資料結構（Data Structure）是程式設計中的基本元素，幾乎每個程式都使用一種或多種資料結構來儲存和管理資料。Java API提供了包含介面、類和演算法的Java集合框架（Java Collection Framework），它實現了可用在程式中的大量資料結構。
當需要在併發程式中使用資料集合時，必須要謹慎地選擇相應的實現方式。大多數集合類不能直接用於併發應用，因為它們沒有對本身資料的併發訪問進行控制。如果一些併發任務共享了一個不適用於併發任務的資料結構，將會遇到資料不一致的錯誤，並將影響程式的準確執行。這類資料結構的一個例子是ArrayList類。
Java提供了一些可以用於併發程式中的資料集合，它們不會引起任何問題。一般來說，Java提供了兩類適用於併發應用的集合。
- 阻塞式集合（Blocking Collection）：這類集合包括新增和移除資料的方法。當集合已滿或為空時，被呼叫的新增或者移除方法就不能立即被執行，那麼呼叫這個方法的執行緒將被阻塞，一直到該方法可以被成功執行。
- 非阻塞式集合（Non-Blocking Collection）：這類集合也包括新增和移除資料的方法。如果方法不能立即被執行，則返回null或丟擲異常，但是呼叫這個方法的執行緒不會被阻塞。
通過本章的各個小節，你將學會如何在併發應用中使用一些Java集合。
- 非阻塞式列表對應的實現類：ConcurrentLinkedDeque類；
- 阻塞式列表對應的實現類：LinkedBlockingDeque 類；
- 用於資料生成或消費的阻塞式列表對應的實現類：LinkedTransferQueue類；
- 按優先順序排序列表元素的阻塞式列表對應的實現類：PriorityBlockingQueue類；
- 帶有延遲列表元素的阻塞式列表對應的實現類：DelayQueue類；
- 非阻塞式可遍歷對映對應的實現類：ConcurrentSkipListMap類；
- 隨機數字對應的實現類：ThreadLocalRandom類；
- 原子變數對應的實現類：AtomicLong和AtomicIntegerArray類。
6.2 使用非阻塞式執行緒安全列表
最基本的集合型別是列表（List）。一個列表包含的元素數量不定，可以在任何位置新增、讀取或移除元素。併發列表允許不同的執行緒在同一時間新增或移除列表中的元素，而不會造成資料不一致。
在本節，將會學到如何在併發程式中使用非阻塞式列表。非阻塞式列表提供了一些操作，如果被執行的操作不能夠立即執行（例如，在列表為空時，從列表取出一個元素），方法會丟擲異常或返回null。Java 7引入了ConcurrentLinkedDeque類來實現非阻塞式併發列表。
將要實現的範例包括以下兩個不同的任務：
- 新增大量的資料到一個列表中；
- 從同一個列表中移除大量的資料。
準備工作
本節的範例是在Eclipse IDE裡完成的。無論你使用Eclipse還是其他的IDE（比如NetBeans），都可以開啟這個IDE並且建立一個新的Java工程。
範例實現
按照接下來的步驟實現本節的範例。
1．建立一個名為AddTask的類，實現Runnable介面。
public class AddTask implements Runnable {
2．宣告一個私有的ConcurrentLinkedDeque屬性list，並指定它的泛型引數是String型的。
private ConcurrentLinkedDeque list;
3．實現類的構造器來初始化屬性。
public AddTask(ConcurrentLinkedDeque list) {
this.list=list;
}
4．實現run()方法。這個方法將10,000個字串存放到列表中，這些字串由當前執行任務的執行緒的名稱和數字組成。
@Override
public void run() {
String name=Thread.currentThread().getName();
for (int i=0; i<10000; i++){
list.add(name+": Element "+i);
}
}
5．建立名為PollTask的類，並實現Runnable介面。
public class PollTask implements Runnable {
6．宣告一個私有的ConcurrentLinkedDeque屬性list，並指定它的泛型引數是String型的。
private ConcurrentLinkedDeque list;
7．實現類的構造器來初始化屬性。
public PollTask(ConcurrentLinkedDeque list) {
this.list=list;
}
8．實現run()方法。這個方法將列表中的10,000個字串取出，總共取5,000次，每次取兩個元素。
@Override
public void run() {
for (int i=0; i<5000; i++) {
list.pollFirst();
list.pollLast();
}
}
9．建立範例的主類Main，並新增main()方法。
public class Main {
public static void main(String[] args) {
10．建立ConcurrentLinkedDeque物件，並指定它的泛型引數是String型的。
ConcurrentLinkedDeque list=new ConcurrentLinkedDeque<>();
11．建立執行緒陣列threads，它包含100個執行緒。
Thread threads[]=new Thread[100];
12．建立100個AddTask物件及其對應的執行執行緒。將每個執行緒存放到上一步建立的陣列中，然後啟動執行緒。
for (int i=0; i AddTask task=new AddTask(list);
threads[i]=new Thread(task);
threads[i].start();
}
System.out.printf("Main: %d AddTask threads have been
launched\n",threads.length);
13．使用join()方法等待執行緒完成。
for (int i=0; i<threads.length; i++) {
try {
threads[i].join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
14．將列表的元素數量列印到控制檯。
System.out.printf("Main: Size of the List: %d\n",list.size());
15．建立100個PollTask物件及其對應的執行執行緒。將每個執行緒存放到上一步建立的陣列中，然後啟動執行緒。
for (int i=0; i< threads.length; i++){
PollTask task=new PollTask(list);
threads[i]=new Thread(task);
threads[i].start();
}
System.out.printf("Main: %d PollTask threads have been
launched\n",threads.length);
16．使用join()方法等待執行緒完成。
for (int i=0; i<threads.length; i++) {
try {
threads[i].join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
17．將列表的元素數量列印到控制檯。
System.out.printf（"Main: Size of the List: %d\n",list.size()）;
工作原理
本節使用的泛型引數是String類的ConcurrentLinkedDeque物件，用來實現一個非阻塞式併發資料列表。下面的截圖顯示了程式的執行結果。
首先，執行100個AddTask任務將元素新增到ConcurrentLinkedDeque物件list中。每個任務使用add()方法向這個列表中插入10,000個元素。add()方法將新元素新增到列表尾部。當所有任務執行完畢，列表中的元素數量將被列印到控制檯。在這一刻，列表中有1,000,000個元素。
接下來，執行100個PollTask任務將元素從列表中移除。每個任務使用pollFirst()和pollLast()方法從列表中移除10,000個元素。pollFirst()方法返回並移除列表中的第一個元素，pollLast()方法返回並移除列表中的最後一個元素。如果列表為空，這些方法返回null。當所有任務執行完畢，列表中的元素數量將被列印到控制檯。在這一刻，列表中有0個元素。
使用size()方法輸出列表中的元素數量。需要注意的是，這個方法返回的值可能不是真實的，尤其當有執行緒在新增資料或移除資料時，這個方法需要遍歷整個列表來計算元素數量，而遍歷過的資料可能已經改變。僅當沒有任何執行緒修改列表時，才能保證返回的結果是準確的。
更多資訊
ConcurrentLinkedDeque類提供了其他從列表中讀取資料的方法。
- getFirst()和getLast()：分別返回列表中第一個和最後一個元素，返回的元素不會從列表中移除。如果列表為空，這兩個方法丟擲NoSuchElementExcpetion異常。
- peek()、peekFirst()和peekLast()：分別返回列表中第一個和最後一個元素，返回的元素不會從列表中移除。如果列表為空，這些方法返回null。
- remove()、removeFirst()和removeLast()：分別返回列表中第一個和最後一個元素，返回的元素將會從列表中移除。如果列表為空，這些方法丟擲NoSuchElementExcpetion異常。
6.3 使用阻塞式執行緒安全列表
最基本的集合型別是列表。一個列表包含的元素數量不定，可以在任何位置新增、讀取或移除元素。併發列表允許不同的執行緒在同一時間新增或移除列表中的元素，而不會造成資料不一致。
在本節，你會學到如何在併發程式中使用阻塞式列表。阻塞式列表與非阻塞式列表的主要差別是：阻塞式列表在插入和刪除操作時，如果列表已滿或為空，操作不會被立即執行，而是將呼叫這個操作的執行緒阻塞佇列直到操作可以執行成功。Java引入了LinkedBlocking Deque類來實現阻塞式列表。
將要實現的範例包括以下兩個不同的任務：
- 新增大量的資料到一個列表中；
- 從同一個列表中移除大量的資料。
準備工作
本節的範例是在Eclipse IDE裡完成的。無論你使用Eclipse還是其他的IDE（比如NetBeans），都可以開啟這個IDE並且建立一個新的Java工程。
範例實現
按照接下來的步驟實現本節的範例。
1．建立名為Client的類，並實現Runnable介面。
public class Client implements Runnable{
2．宣告一個私有的LinkedBlockingDeque屬性requestList，並指定它的泛型引數是String型的。
private LinkedBlockingDeque requestList;
3．實現類的構造器來初始化屬性。
public Client (LinkedBlockingDeque requestList) {
this.requestList=requestList;
}
4．實現run()方法。使用requestList物件的put()方法，每兩秒向列表requestList中插入5個字串。重複3次。
@Override
public void run() {
for (int i=0; i<3; i++) {
for (int j=0; j<5; j++) {
StringBuilder request=new StringBuilder();
request.append(i);
request.append(":");
request.append(j);
try {
requestList.put(request.toString());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.printf("Client: %s at %s.\n",request,new
Date());
}
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.printf("Client: End.\n");
}
5． 建立範例的主類Main，並新增main()方法。
public class Main {
public static void main(String[] args) throws Exception {
6． 宣告並建立LinkedBlockingDeque屬性list，並指定它的泛型引數是String型的。
LinkedBlockingDeque list=new LinkedBlockingDeque<>(3);
7．將client作為傳入引數建立執行緒Thread並啟動。
Client client=new Client(list); Thread thread=new Thread(client); thread.start();
8．使用list物件的take()方法，每300毫秒從列表中取出3個字串物件，重複5次。在控制檯輸出字串。
for (int i=0; i for (int j=0; j<3; j++) {
String request=list.take();
System.out.printf("Main: Request: %s at %s. Size:
%d\n",request,new Date(),list.size());
}
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(300);
}
9．輸出一條表示程式結束的訊息。
System.out.printf("Main: End of the program.\n");
工作原理
本節使用的泛型引數是String的LinkedBlockingDeque物件，用來實現一個阻塞式併發資料列表。
Client類使用put()方法將字串插入到列表中。如果列表已滿（列表生成時指定了固定的容量），呼叫這個方法的執行緒將被阻塞直到列表中有了可用的空間。
Main類使用take()方法從列表中取字串。如果列表為空，呼叫這個方法的執行緒將被阻塞直到列表不為空（即有可用的元素）。
這個例子中使用了LinkedBlockingDeque物件的兩個方法，呼叫它們的執行緒可能會被阻塞，在阻塞時如果執行緒被中斷，方法會丟擲InterruptedException異常，所以必須捕獲和處理這個異常。
更多資訊
LinkedBlockingDeque類也提供了其他存取元素的方法，這些方法不會引起阻塞，而是丟擲異常或返回null。
- takeFirst()和takeLast()：分別返回列表中第一個和最後一個元素，返回的元素會從列表中移除。如果列表為空，呼叫方法的執行緒將被阻塞直到列表中有可用的元素出現。
- getFirst()和getLast()：分別返回列表中第一個和最後一個元素，返回的元素不會從列表中移除。如果列表為空，則丟擲NoSuchElementExcpetinon異常。
- peek()、peekFirst()和peekLast()：分別返回列表中第一個和最後一個元素，返回的元素不會從列表中移除。如果列表為空，返回null。
- poll()、pollFirst()和pollLast()：分別返回列表中第一個和最後一個元素，返回的元素將會從列表中移除。如果列表為空，返回null。
- add()、addFirst()和addLast(): 分別將元素新增到列表中第一位和最後一位。如果列表已滿（列表生成時指定了固定的容量），這些方法將丟擲IllegalStateException異常。
參見
參見6.3節。
