Java多线程系列-JUC集合

Java集合包

java集合的架构。主体内容包括Collection集合和Map类；而Collection集合又可以划分为List(队列)和Set(集合)。

1. List的实现类主要有: LinkedList, ArrayList, Vector, Stack。

(01) LinkedList是双向链表实现的双端队列；它不是线程安全的，只适用于单线程。
(02) ArrayList是数组实现的队列，它是一个动态数组；它也不是线程安全的，只适用于单线程。
(03) Vector是数组实现的矢量队列，它也一个动态数组；不过和ArrayList不同的是，Vector是线程安全的，它支持并发。
(04) Stack是Vector实现的栈；和Vector一样，它也是线程安全的。

 

2. Set的实现类主要有: HastSet和TreeSet。

(01) HashSet是一个没有重复元素的集合，它通过HashMap实现的；HashSet不是线程安全的，只适用于单线程。
(02) TreeSet也是一个没有重复元素的集合，不过和HashSet不同的是，TreeSet中的元素是有序的；它是通过TreeMap实现的；TreeSet也不是线程安全的，只适用于单线程。

 

3.Map的实现类主要有: HashMap，WeakHashMap, Hashtable和TreeMap。

(01) HashMap是存储“键-值对”的哈希表；它不是线程安全的，只适用于单线程。
(02) WeakHashMap是也是哈希表；和HashMap不同的是，HashMap的“键”是强引用类型，而WeakHashMap的“键”是弱引用类型，也就是说当WeakHashMap 中的某个键不再正常使用时，会被从WeakHashMap中被自动移除。WeakHashMap也不是线程安全的，只适用于单线程。
(03) Hashtable也是哈希表；和HashMap不同的是，Hashtable是线程安全的，支持并发。
(04) TreeMap也是哈希表，不过TreeMap中的“键-值对”是有序的，它是通过R-B Tree(红黑树)实现的；TreeMap不是线程安全的，只适用于单线程。

 

    为了方便，我们将前面介绍集合类统称为”java集合包“。java集合包大多是“非线程安全的”，虽然可以通过Collections工具类中的方法获取java集合包对应的同步类，但是这些同步类的并发效率并不是很高。为了更好的支持高并发任务，并发大师Doug Lea在JUC(java.util.concurrent)包中添加了java集合包中单线程类的对应的支持高并发的类。例如，ArrayList对应的高并发类是CopyOnWriteArrayList，HashMap对应的高并发类是ConcurrentHashMap，等等。

    JUC包在添加”java集合包“对应的高并发类时，为了保持API接口的一致性，使用了”Java集合包“中的框架。例如，CopyOnWriteArrayList实现了“Java集合包”中的List接口，HashMap继承了“java集合包”中的AbstractMap类，等等。得益于“JUC包使用了Java集合包中的类”，如果我们了解了Java集合包中的类的思想之后，理解JUC包中的类也相对容易；理解时，最大的难点是，对JUC包是如何添加对“高并发”的支持的！

 

JUC中的集合类

    下面，我们先了解JUC包中集合类的框架；为了方便讲诉，我将JUC包中的集合类划分为3部分来进行说明。

1. List和Set

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

(01) 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。
(02) 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。

2. 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：

(01) 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。
(02) 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。
(03) 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。

 

3. 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：

(01) ArrayBlockingQueue是数组实现的线程安全的有界的阻塞队列。
(02) 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。
(03) 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。
(04) 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。
(05) 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。

 

CopyOnWriteArrayList介绍

它相当于线程安全的ArrayList。和ArrayList一样，它是个可变数组；但是和ArrayList不同的时，它具有以下特性：
1. 它最适合于具有以下特征的应用程序：List 大小通常保持很小，只读操作远多于可变操作，需要在遍历期间防止线程间的冲突。
2. 它是线程安全的。
3. 因为通常需要复制整个基础数组，所以可变操作（add()、set() 和 remove() 等等）的开销很大。
4. 迭代器支持hasNext(), next()等不可变操作，但不支持可变 remove()等操作。
5. 使用迭代器进行遍历的速度很快，并且不会与其他线程发生冲突。在构造迭代器时，迭代器依赖于不变的数组快照。

 

CopyOnWriteArrayList原理和数据结构

CopyOnWriteArrayList的数据结构，如下图所示：

说明：
1. CopyOnWriteArrayList实现了List接口，因此它是一个队列。
2. CopyOnWriteArrayList包含了成员lock。每一个CopyOnWriteArrayList都和一个互斥锁lock绑定，通过lock，实现了对CopyOnWriteArrayList的互斥访问。
3. CopyOnWriteArrayList包含了成员array数组，这说明CopyOnWriteArrayList本质上通过数组实现的。

下面从“动态数组”和“线程安全”两个方面进一步对CopyOnWriteArrayList的原理进行说明。
1. CopyOnWriteArrayList的“动态数组”机制 -- 它内部有个“volatile数组”(array)来保持数据。在“添加/修改/删除”数据时，都会新建一个数组，并将更新后的数据拷贝到新建的数组中，最后再将该数组赋值给“volatile数组”。这就是它叫做CopyOnWriteArrayList的原因！CopyOnWriteArrayList就是通过这种方式实现的动态数组；不过正由于它在“添加/修改/删除”数据时，都会新建数组，所以涉及到修改数据的操作，CopyOnWriteArrayList效率很
低；但是单单只是进行遍历查找的话，效率比较高。
2. CopyOnWriteArrayList的“线程安全”机制 -- 是通过volatile和互斥锁来实现的。(01) CopyOnWriteArrayList是通过“volatile数组”来保存数据的。一个线程读取volatile数组时，总能看到其它线程对该volatile变量最后的写入；就这样，通过volatile提供了“读取到的数据总是最新的”这个机制的
保证。(02) CopyOnWriteArrayList通过互斥锁来保护数据。在“添加/修改/删除”数据时，会先“获取互斥锁”，再修改完毕之后，先将数据更新到“volatile数组”中，然后再“释放互斥锁”；这样，就达到了保护数据的目的。 

 

CopyOnWriteArraySet介绍

它是线程安全的无序的集合，可以将它理解成线程安全的HashSet。有意思的是，CopyOnWriteArraySet和HashSet虽然都继承于共同的父类AbstractSet；但是，HashSet是通过“散列表(HashMap)”实现的，而CopyOnWriteArraySet则是通过“动态数组(CopyOnWriteArrayList)”实现的，并不是散列表。
和CopyOnWriteArrayList类似，CopyOnWriteArraySet具有以下特性：
1. 它最适合于具有以下特征的应用程序：Set 大小通常保持很小，只读操作远多于可变操作，需要在遍历期间防止线程间的冲突。
2. 它是线程安全的。
3. 因为通常需要复制整个基础数组，所以可变操作（add()、set() 和 remove() 等等）的开销很大。
4. 迭代器支持hasNext(), next()等不可变操作，但不支持可变 remove()等 操作。
5. 使用迭代器进行遍历的速度很快，并且不会与其他线程发生冲突。在构造迭代器时，迭代器依赖于不变的数组快照。

 

CopyOnWriteArraySet原理和数据结构

CopyOnWriteArraySet的数据结构，如下图所示：

说明：
  1. CopyOnWriteArraySet继承于AbstractSet，这就意味着它是一个集合。
  2. CopyOnWriteArraySet包含CopyOnWriteArrayList对象，它是通过CopyOnWriteArrayList实现的。而CopyOnWriteArrayList本质是个动态数组队列，
所以CopyOnWriteArraySet相当于通过通过动态数组实现的“集合”！ CopyOnWriteArrayList中允许有重复的元素；但是，CopyOnWriteArraySet是一个集合，所以它不能有重复集合。因此，CopyOnWriteArrayList额外提供了addIfAbsent()和addAllAbsent()这两个添加元素的API，通过这些API来添加元素时，只有当元素不存在时才执行添加操作！
   至于CopyOnWriteArraySet的“线程安全”机制，和CopyOnWriteArrayList一样，是通过volatile和互斥锁来实现的。

 

ConcurrentHashMap介绍

ConcurrentHashMap是线程安全的哈希表。HashMap, Hashtable, ConcurrentHashMap之间的关联如下：

 

　　HashMap是非线程安全的哈希表，常用于单线程程序中。

　　Hashtable是线程安全的哈希表，它是通过synchronized来保证线程安全的；即，多线程通过同一个“对象的同步锁”来实现并发控制。Hashtable在线程竞争激烈时，效率比较低(此时建议使用ConcurrentHashMap)！因为当一个线程访问Hashtable的同步方法时，其它线程就访问Hashtable的同步方法时，可能会进入阻塞状态。

　　ConcurrentHashMap是线程安全的哈希表，它是通过“锁分段”来保证线程安全的。ConcurrentHashMap将哈希表分成许多片段(Segment)，每一个片段除了保存哈希表之外，本质上也是一个“可重入的互斥锁”(ReentrantLock)。多线程对同一个片段的访问，是互斥的；但是，对于不同片段的访问，却是可以同步进行的。

ConcurrentHashMap原理和数据结构

要想搞清ConcurrentHashMap，必须先弄清楚它的数据结构：

  (01) ConcurrentHashMap继承于AbstractMap抽象类。
  (02) Segment是ConcurrentHashMap中的内部类，它就是ConcurrentHashMap中的“锁分段”对应的存储结构。ConcurrentHashMap与Segment是组合关系，1个ConcurrentHashMap对象包含若干个Segment对象。在代码中，这表现为ConcurrentHashMap类中存在“Segment数组”成员。
  (03) Segment类继承于ReentrantLock类，所以Segment本质上是一个可重入的互斥锁。
  (04) HashEntry也是ConcurrentHashMap的内部类，是单向链表节点，存储着key-value键值对。Segment与HashEntry是组合关系，Segment类中存在“HashEntry数组”成员，“HashEntry数组”中的每个HashEntry就是一个单向链表。

  对于多线程访问对一个“哈希表对象”竞争资源，Hashtable是通过一把锁来控制并发；而ConcurrentHashMap则是将哈希表分成许多片段，对于每一个片段分别通过一个互斥锁来控制并发。ConcurrentHashMap对并发的控制更加细腻，它也更加适应于高并发场景！

 

ConcurrentSkipListMap介绍

ConcurrentSkipListMap是线程安全的有序的哈希表，适用于高并发的场景。
ConcurrentSkipListMap和TreeMap，它们虽然都是有序的哈希表。但是，第一，它们的线程安全机制不同，TreeMap是非线程安全的，而ConcurrentSkipListMap是线程安全的。第二，ConcurrentSkipListMap是通过跳表实现的，而TreeMap是通过红黑树实现的。
关于跳表(Skip List)，它是平衡树的一种替代的数据结构，但是和红黑树不相同的是，跳表对于树的平衡的实现是基于一种随机化的算法的，这样也就是说跳表的插入和删除的工作是比较简单的。

 

ConcurrentSkipListMap原理和数据结构

ConcurrentSkipListMap的数据结构，如下图所示：

 

说明：

先以数据“7,14,21,32,37,71,85”序列为例，来对跳表进行简单说明。

跳表分为许多层(level)，每一层都可以看作是数据的索引，这些索引的意义就是加快跳表查找数据速度。每一层的数据都是有序的，上一层数据是下一层数据的子集，并且第一层(level 1)包含了全部的数据；层次越高，跳跃性越大，包含的数据越少。
跳表包含一个表头，它查找数据时，是从上往下，从左往右进行查找。现在“需要找出值为32的节点”为例，来对比说明跳表和普遍的链表。

情况1：链表中查找“32”节点
路径如下图1-02所示：

 

需要4步(红色部分表示路径)。

 

情况2：跳表中查找“32”节点
路径如下图1-03所示：

 

忽略索引垂直线路上路径的情况下，只需要2步(红色部分表示路径)。

下面说说Java中ConcurrentSkipListMap的数据结构。
(01) ConcurrentSkipListMap继承于AbstractMap类，也就意味着它是一个哈希表。
(02) Index是ConcurrentSkipListMap的内部类，它与“跳表中的索引相对应”。HeadIndex继承于Index，ConcurrentSkipListMap中含有一个HeadIndex的对象head，head是“跳表的表头”。
(03) Index是跳表中的索引，它包含“右索引的指针(right)”，“下索引的指针(down)”和“哈希表节点node”。node是Node的对象，Node也是ConcurrentSkipListMap中的内部类。

 

 

ConcurrentSkipListSet介绍

ConcurrentSkipListSet是线程安全的有序的集合，适用于高并发的场景。
ConcurrentSkipListSet和TreeSet，它们虽然都是有序的集合。但是，第一，它们的线程安全机制不同，TreeSet是非线程安全的，而ConcurrentSkipListSet是线程安全的。第二，ConcurrentSkipListSet是通过ConcurrentSkipListMap实现的，而TreeSet是通过TreeMap实现的。

 

ConcurrentSkipListSet原理和数据结构

ConcurrentSkipListSet的数据结构，如下图所示：

说明：
(01) ConcurrentSkipListSet继承于AbstractSet。因此，它本质上是一个集合。
(02) ConcurrentSkipListSet实现了NavigableSet接口。因此，ConcurrentSkipListSet是一个有序的集合。
(03) ConcurrentSkipListSet是通过ConcurrentSkipListMap实现的。它包含一个ConcurrentNavigableMap对象m，而m对象实际上是ConcurrentNavigableMap的实现类ConcurrentSkipListMap的实例。ConcurrentSkipListMap中的元素是key-value键值对；而ConcurrentSkipListSet是集合，它只用到了ConcurrentSkipListMap中的key！

 

ArrayBlockingQueue介绍

ArrayBlockingQueue是数组实现的线程安全的有界的阻塞队列。
线程安全是指，ArrayBlockingQueue内部通过“互斥锁”保护竞争资源，实现了多线程对竞争资源的互斥访问。而有界，则是指ArrayBlockingQueue对应的数组是有界限的。 阻塞队列，是指多线程访问竞争资源时，当竞争资源已被某线程获取时，其它要获取该资源的线程需要阻塞等待；而且，ArrayBlockingQueue是按 FIFO（先进先出）原则对元素进行排序，元素都是从尾部插入到队列，从头部开始返回。

注意：ArrayBlockingQueue不同于ConcurrentLinkedQueue，ArrayBlockingQueue是数组实现的，并且是有界限的；而ConcurrentLinkedQueue是链表实现的，是无界限的。

 

ArrayBlockingQueue原理和数据结构

ArrayBlockingQueue的数据结构，如下图所示：

说明：
    1. ArrayBlockingQueue继承于AbstractQueue，并且它实现了BlockingQueue接口。
    2. ArrayBlockingQueue内部是通过Object[]数组保存数据的，也就是说ArrayBlockingQueue本质上是通过数组实现的。ArrayBlockingQueue的大小，即数组的容量是创建ArrayBlockingQueue时指定的。
    3. ArrayBlockingQueue与ReentrantLock是组合关系，ArrayBlockingQueue中包含一个ReentrantLock对象(lock)。ReentrantLock是可重入的互斥锁，ArrayBlockingQueue就是根据该互斥锁实现“多线程对竞争资源的互斥访问”。而且，ReentrantLock分为公平锁和非公平锁，关于具体使用公平锁还是非公平锁，在创建ArrayBlockingQueue时可以指定；而且，ArrayBlockingQueue默认会使用非公平锁。
    4. ArrayBlockingQueue与Condition是组合关系，ArrayBlockingQueue中包含两个Condition对象(notEmpty和notFull)。而且，Condition又依赖于ArrayBlockingQueue而存在，通过Condition可以实现对ArrayBlockingQueue的更精确的访问 -- (01)若某线程(线程A)要取数据时，数组正好为空，则该线程会执行notEmpty.await()进行等待；当其它某个线程(线程B)向数组中插入了数据之后，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。(02)若某线程(线程H)要插入数据时，数组已满，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。

 

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：
1. LinkedBlockingQueue继承于AbstractQueue，它本质上是一个FIFO(先进先出)的队列。
2. 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。
3. 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。

 

 

LinkedBlockingDeque介绍

LinkedBlockingDeque是双向链表实现的双向并发阻塞队列。该阻塞队列同时支持FIFO和FILO两种操作方式，即可以从队列的头和尾同时操作(插入/删除)；并且，该阻塞队列是支持线程安全。

此外，LinkedBlockingDeque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。

 

LinkedBlockingDeque原理和数据结构

LinkedBlockingDeque的数据结构，如下图所示：

说明：
1. LinkedBlockingDeque继承于AbstractQueue，它本质上是一个支持FIFO和FILO的双向的队列。
2. LinkedBlockingDeque实现了BlockingDeque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。
3. LinkedBlockingDeque是通过双向链表实现的。
3.1 first是双向链表的表头。
3.2 last是双向链表的表尾。
3.3 count是LinkedBlockingDeque的实际大小，即双向链表中当前节点个数。
3.4 capacity是LinkedBlockingDeque的容量，它是在创建LinkedBlockingDeque时指定的。
3.5 lock是控制对LinkedBlockingDeque的互斥锁，当多个线程竞争同时访问LinkedBlockingDeque时，某线程获取到了互斥锁lock，其它线程则需要阻塞等待，直到该线程释放lock，其它线程才有机会获取lock从而获取cpu执行权。
3.6 notEmpty和notFull分别是“非空条件”和“未满条件”。通过它们能够更加细腻进行并发控制。

     -- 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。

ConcurrentLinkedQueue介绍

ConcurrentLinkedQueue是线程安全的队列，它适用于“高并发”的场景。
它是一个基于链接节点的无界线程安全队列，按照 FIFO（先进先出）原则对元素进行排序。队列元素中不可以放置null元素（内部实现的特殊节点除外）。

 

ConcurrentLinkedQueue原理和数据结构

ConcurrentLinkedQueue的数据结构，如下图所示：

说明：
1. ConcurrentLinkedQueue继承于AbstractQueue。
2. ConcurrentLinkedQueue内部是通过链表来实现的。它同时包含链表的头节点head和尾节点tail。ConcurrentLinkedQueue按照 FIFO（先进先出）原则对元素进行排序。元素都是从尾部插入到链表，从头部开始返回。
3. ConcurrentLinkedQueue的链表Node中的next的类型是volatile，而且链表数据item的类型也是volatile。关于volatile，我们知道它的语义包含：“即对一个volatile变量的读，总是能看到（任意线程）对这个volatile变量最后的写入”。ConcurrentLinkedQueue就是通过volatile来实现多线程对竞争资源的互斥访问的。

 

 

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