JUC 包下并发容器实战与原理详解

 

JUC 包下并发容器实战与原理详解

 

1、简介

Java的集合容器框架中，主要有四大类别：List、Set、Queue、Map，大家熟知的这些集合类 ArrayList、LinkedList、HashMap这些容器都是非线程安全的。 所以，Java先提供了同步容器供用户使用。同步容器可以简单地理解为通过synchronized来实现同步的容器，比如Vector、Hashtable以及SynchronizedList等容器。这样做的代价是削弱了并发性，当多 个线程共同竞争容器级的锁时，吞吐量就会降低。

因此为了解决同步容器的性能问题，所以才有了并发容器。java.util.concurrent包中提供了多种并发类容器： 

 2、CopyOnWriteArrayList 

CopyOnWriteArrayList 是 Java 中的一种线程安全的 List，它是一个可变的数组，支持并发读和写。它通过在修改操作时创建底层数组的副本来实现线程安全，从而保证了并发访问的一致性。 

对应的非并发容器：ArrayList

目标：代替Vector、synchronizedList。

原理：利用高并发往往是读多写少的特性，对读操作不加锁，对写操作，先加锁，然后复制一份新的集合，在新的集合上面修改，然后将新集合赋值给旧的引用，最后解锁，并通过volatile 保证其可见性。

整体上来说，CopyOnWriteArrayList 就是利用锁 + 数组拷贝 + volatile 关键字保证了 List 的线程安全。 

应用场景：

• 读多写少的场景 ：由于 CopyOnWriteArrayList 的读操作不需要加锁，因此它非常适合在读多写少的场景中使用。
• 不需要实时更新的数据：读和写操作是分离得，读到得数据不一定是最新的。

缺点：

• 内存占用问题，毕竟每次执行写操作都要将原容器拷贝一份。数据量大时，对内存压力较大，可能会引起频繁 GC； 
• 读可能不是实时读的最新数据。

 

3、CopyOnWriteArraySet

对应的非并发容器：HashSet 目标：代替synchronizedSet。

原理：基于CopyOnWriteArrayList实现，其唯一的不同是在add时调用的是CopyOnWriteArrayList的 addIfAbsent方法，其遍历当前Object数组，如Object数组中已有了当前元素，则直接返回，如果没有 则放入Object数组的尾部，并返回。

 

4、ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap 是 Java 中线程安全的哈希表，它支持高并发并且能够同时进行读写操作。 在JDK1.8之前，ConcurrentHashMap使用分段锁以在保证线程安全的同时获得更大的效率。JDK1.8开始舍弃了分段 锁，使用自旋 + CAS + synchronized关键字来实现同步。

对应的非并发容器：HashMap

目标：代替Hashtable、synchronizedMap，支持复合操作。

原理：JDK6中采用一种更加细粒度的加锁机制Segment“分段锁”，JDK8中采用CAS+synchronized算法。

应用场景：

• 共享数据的读写，可以使用 ConcurrentHashMap 保证线 程安全。
• 缓存：ConcurrentHashMap 的高并发性能和线程安全能力，使其成为一种很好的缓存实现方案。

常用复合操作API：

// 不存在再插入
V putlfAbsent(K key, V value)

// 计算新值，参数：key, BiFunction(k, v) -> 新值
compute（key, BiFunction）

// 不存在才计算并设置值，Function返回值作为key的值
computelfAbsent(key,Function)；

// 存在才计算
computeIfPresent（key, BiFunction）

// 不存在指定的key时，将value设置为key的值。当key存在值时，执行BiFunction接收oldKey和value返回结果设置为key的值。
merge(key, value, BiFunction)

在jdk1.7中，HashMap结构是用Segments数组 + HashEntry数组 + 链表实现的 （写分散的思想）。 ConcurrentHashMap内部维护了一个Segment数组。每个Segment继承自ReentrantLock并且它内部本 质上是一个Hash表。这样做的好处是能够减小锁的粒度，提高并发访问的效率。默认Segment 数量为 16，可以通过构造函数来修改默认值。当需要put或get一个元素时，线程首先通过hash定位到具体的 Segment，然后在对应的Segment上进行锁定操作。

jdk1.8 抛弃了Segments分段锁的方案，而是改用了和HashMap一样的结构操作，也就是数组 + 链表 + 红黑树结构，比jdk1.7中的ConcurrentHashMap提高了效率，在并发方面，使用了cas + synchronized 的方式保证数据的一致性 。

链表转化为红黑树需要满足2个条件: 

• 链表的节点数量>=树化阈值8。
• Node数组的长度大于等于最小树化容量值64。
• 红黑树节点数 ≤ 6 时退化为链表。

HashMap、Hashtable、ConccurentHashMap三者的区别

• HashMap线程不安全，数组+链表+红黑树
• Hashtable线程安全，锁住整个对象，数组+链表
• ConccurentHashMap线程安全，CAS+同步锁，数组+链表+红黑树
• HashMap的key，value均可为null，其他两个不行。

 

5、ConcurrentSkipListMap

ConcurrentSkipListMap 是 Java 中的一种线程安全、基于跳表实现的有序映射（Map）数据结构。它是对 TreeMap 的并发实现，支持高并发读写操作。 ConcurrentSkipListMap适用于需要高并发性能、支持有序性和区间查询的场景，能够有效地提高系统的性能和可扩展性。

跳表是一种基于有序链表的数据结构，它是一种概率型数据结构，通过随机概率决定节点高度。通过在有序链表上添加多级索引，实现对数级别的查找效率。

跳表的特性：

• 一个跳表结构由很多层数据结构组成。 每一层都是一个有序的链表，默认是升序。也可以自定义排序方法。
• 最底层链表（图中所示Level1）包含了所有的元素。
• 如果每一个元素出现在LevelN的链表中（N>1)，那么这个元素必定在下层链表出现。
• 每一个节点都包含了两个指针，一个指向同一级链表中的下一个元素，一个指向下一层级别链表中的相同值元 素。
• 查找方式：从最高层开始，快速跳过大量节点。

对应的非并发容器：TreeMap

目标：代替synchronizedSortedMap(TreeMap)

原理：Skip list（跳表）是一种可以代替平衡树的数据结构，默认是按照Key值升序的。