常用并发工具类（并发集合类）

常用并发工具类（并发集合类）

文章目录

• 概述
• BlockingQueue
• ArrayBlockingQueue
• • 数据存储相关属性
  • 阻塞特性相关属性
  • 主要方法
• linkedBlockingQueue
• • linkedBlockingQueue 主要属性
  • linkedBlockingQueue 设计思想
• ConcurrentlinkedQueue
• PriorityBlockingQueue
• • PriorityBlockingQueue 主要属性
  • PriorityBlockingQueue 设计思想
• SynchronousQueue
• linkedBlockingDeque
• DelayQueue
• DelayQueue 主要属性
• • DelayQueue 主要设计思想
• CopyOnWrite
• CopyOnWriteArrayList
• • CopyonWriteArrayList 的主要属性
  • CopyonWriteArrayList 主要设计思想
  • CopyOnWriteArraySet

概述

常用的并发集合类，主要有 ArrayBlockingQueue，ConcurrentlinkedQueue，linkedBlockingQueue，PriorityBlockingQueue，DelayQueue，SynchronousQueue，linkedBlockingDeque，以及 COW 系列的集合，如 CopyOnWriteArrayList，CopyOnWriteArraySet 等

BlockingQueue

BlockingQueue 描述了一个阻塞队列应该有的行为，例如：

• 阻塞读方法：take()
• 阻塞写方法：put()

阻塞的读写方法的函数签名上都会抛出 InterruptedException，具体的阻塞逻辑由实现类自行实现。

ArrayBlockingQueue

是一个基于数组实现的阻塞队列，创建对象时必须指定容量

数据存储相关属性

内置了一个循环队列用于存储数据，可以更高效地利用内存空间

    
    final Object[] items;

    
    int takeIndex;

    
    int putIndex;

    
    int count;

阻塞特性相关属性

内置一个 ReentrantLock 锁对象，一个队列是否为空的 Condition 对象，以及一个队列是否满的 Condition 对象

    
    final ReentrantLock lock;

    
    private final Condition notEmpty;

    
    private final Condition notFull;

其中，notEmpty 条件和 notFull 条件都是由 lock 对象创建出来的

主要方法

• 构造方法中必须传入容量，可以通过 public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) 中的 fair 参数来指定公平/非公平模式
  • fair 参数最终会用于构造 ReentrantLock 锁对象
• put 方法会在队列满的时候（（队尾下标+1）%队列长度=队头下标））调用 notEmpty 条件进行等待，等队列再次有空位的时候（有元素出队时将会被唤醒）将元素放至队尾
• take 会在队列为空的时候（队尾下标=队头下标）调用 notFull 条件进行等待，当队列不为空时，将队头的元素返回，并删除队头元素

linkedBlockingQueue

linkedBlockingQueue 是一个基于单向链表实现的阻塞队列，其容量为：

• 如果在构造函数中指定了容量，那么容量就是队列长度的最大边界限制
• 如果没有在构造函数中指定容量，容量将会默认设置成 Integer.MAX_VALUE，近似无界

所以，linkedBlockingQueue 在不传入容量的情况下，最大容量会被设置为 Integer.MAX_VALUE

linkedBlockingQueue 主要属性

    
    private final int capacity;

    
    private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();

    
    transient Node head;

    
    private transient Node last;

    
    private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();

    
    private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();

    
    private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();

    
    private final Condition notFull = putLock.newCondition();

• linkedBlockingQueue 底层的数据结构是单向链表
• 内置一个读取锁，ReentrantLock takeLock ，以及由这把锁创建出来的非空条件 Condition notEmpty
• 内置一个写入锁，ReentrantLock putLock，以及由这把锁创建出来的非空条件 Condition notFull

linkedBlockingQueue 设计思想

• 执行 take() 方法的时候，会从队列的头部取出元素，所以必须要获取读取锁 takLock，从而确保同时只有一个线程可以 *** 作链表的头部
  • 当执行 take() 方法的时候如果队列为空，那么当前线程将会调用 notEmpty.await() 方法进行阻塞，一直到有元素放入事件发生（如调用 put() 方法）
• 执行 put() 方法的时候，会从队列的尾部添加元素，所以必须要获取到写入锁 putLock，从而确保同时只有一个线程可以 *** 作链表的尾部
  • 当执行 put() 方法的时候如果队列满了，那么当前线程将会调用 notFull.await() 方法进行阻塞，一直到有元素取出事件发生（如调用 take() 方法）
• 当执行 remove()、contains() 等方法时，将会同时获取读、写两把锁，在方法结束后同时释放两把锁
  • 这样做的目的是因为 remove() 等方法不能确定在链表的某个位置 *** 作（读取或者新增、删除）元素，所以需要同时对队头和队尾都加锁

总的来说，linkedBlockingQueue 就是通过控制链表同一方向的 *** 作，来实现线程安全和读写条件阻塞；当不能确定 *** 作元素的位置时，将进行双重加锁

ConcurrentlinkedQueue

ConcurrentlinkedQueue 是一个基于单向链表实现的无界线程安全队列，基于 CAS + 自旋来保证线程安全

PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue 是一个基于优先级的无界阻塞队列，底层的数据结构是堆。

PriorityBlockingQueue 主要属性

    
    private transient Object[] queue;

    
    private transient int size;

    
    private transient Comparator comparator;

    
    private final ReentrantLock lock;

    
    private final Condition notEmpty;

    
    private transient volatile int allocationSpinLock;

• PriorityBlockingQueue 底层有一个可扩容的对象数组 Object[] queue，结构是堆
• 内置一个 ReentrantLock 独占锁，以及由这个锁构造出来的 Condition notEmpty 条件
• 一个 volatile 关键字修饰的整型变量 volatile int allocationSpinLock

PriorityBlockingQueue 设计思想

• 所有的存取方法都需要获取锁后才能执行，包括 size() 方法
• 当数组的长度大于等于容量时，需要进行扩容 *** 作
  • 扩容之前先要释放锁
  • 首先要尝试使用 CAS 尝试把 allocationSpinLock 变量的值修改为 1
  • 当前容量小于 64 时，增长为原来的 2 倍 + 2；否则增长为原来的 1.5 倍
  • 还原 allocationSpinLock 的值
  • 扩容完成之后，再次获取锁
• 插入元素时，会按照指定的 Comparator 的比较方法进行插入；否则将会使用元素自身的 Comparable.compareTo() 方法进行比较
• 调用 take() 方法时如果队列为空时，当前线程将会调用 notEmpty.await() 进行阻塞，直到有新的元素入队后被唤醒
• 出队的元素始终是堆顶元素

SynchronousQueue

一个不存储元素的阻塞队列，每一个入队 *** 作必须对应一个出队 *** 作，每一个出队 *** 作必须对应一个入队 *** 作。

linkedBlockingDeque

linkedBlockingQueue 是一个双端阻塞队列，底层数据结构是双向链表。

• 内置一个 ReentrantLock 独占锁，以及由这个锁构造出来的 Condition notEmpty（队列为空，等待放入） 和 Condition notFull（队列已满，等待取出）条件
• 当队列为空时调用阻塞取出相关方法（take()）时，将会调用 notEmpty.await() 方法进行阻塞，直到有元素被放入到队列中
• 当队列已满时调用阻塞存入相关方法（put()）时，将会调用 notFull.await() 方法进行阻塞，直到有元素被取出
• 可以从队列的两端（头部/尾部）进行元素 *** 作（存入/取出）元素，意味着可以使用 linkeBlockingQueue 自由实现栈或者队列

DelayQueue

DelayQueue 是一个无界延时阻塞队列。底层的数据结构是优先级队列 PriorityQueue

DelayQueue 主要属性

    private final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    private final PriorityQueue q = new PriorityQueue();

    private Thread leader = null;

     
    private final Condition available = lock.newCondition();

• 内置一个 ReentrantLock 独占锁，以及一个由锁对象创建出来的条件对象 Condition available
• 底层数据结构是 PriorityQueue，是由堆来实现的
• 有一个 Thread leader 属性，代表的是当前第一个尝试等待获取队头元素的线程

DelayQueue 主要设计思想

• 所有放入到 DelayQueue 中的元素，都要实现 Delayed 接口
• 当队列为空时调用出队方法，将会调用 available.await() 方法进行阻塞，直到有新的元素被添加到队列中
• 当队列不为空时调用出队方法，首先判断队头元素的剩余过期时间是否小于等于 0
  • 如果队头元素的剩余过期时间小于等于 0，那么说明元素已经到期，直接把这个元素移除并返回
  • 如果队头元素的剩余过期时间（long delay）大于 0，将会判断当前 leader 是否为空
    • 如果为空，则把自己设置为 leader，并且调用 available.awaitNanos(long delay) 方法，将自己阻塞 long delay 时间
    • 如果不为空，说明已经有其他线程在等待获取元素了，那么将调用 available.await() 方法进行无限期等待
  • 在阻塞了 long delay 时间后，重新将 leader 置为 null，并且执行上面的逻辑
• 所有存取方法调用前都需要获取锁

CopyonWrite

CopyOnWrite，顾名思义，就是写时复制的意思。
主要的设计思想就是在修改数据的时候，并不直接在原数据上进行修改，而是先拷贝一份原数据的副本，后续对于数据的修改 *** 作在拷贝出来的副本上进行，最后将副本替换掉原数据。
这样做的好处就是，在读取数据的时候，是不用采取任何并发控制手段的，直接访问源数据就行，所以写时复制适用于读多写少的场景。

CopyonWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList 是一个并发安全的动态数组，底层数据结构是数组。

CopyonWriteArrayList 的主要属性

    
    final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    
    private transient volatile Object[] array;

• 内置一个 ReentrantLock 独占锁
• 一个用 volatile 关键字修饰的对象数组 array

CopyonWriteArrayList 主要设计思想

• 在所有的修改方法执行之前，首先要获取锁
• 在使用元素添加方法时，每次会拷贝出一个长度 +1 的新数组，同时把要添加的元素放入到新数组的最后一个位置上，最后把旧数组替换成新数组
• 在使用元素移除方法时，每次会拷贝出一个长度 -1 的新数组，最后根据要删除的元素位置，进行数组拷贝，最后把旧数组替换成新数组
• 所有读取方法都没有采取任何同步措施，包括获取迭代器
  • 获取迭代器的方法，并没有像很多文章中说的对当前数组进行了一个拷贝，而是直接把当前数组的引用传递给了迭代器
  • 之所以不用对当前数组进行拷贝，是因为每次的修改方法都会创建出一个新数组，所以 CopyOnWriteArrayList 迭代器根本不会，也没有必要去拷贝当前数组

CopyonWriteArraySet

CopyOnWriteArraySet 是一个并发安全的无重复集合，底层是基于 CopyOnWriteArrayList 来实现的