这些Java并发容器，你都了解吗？
前言
在多线程环境下，数据的并发访问和修改是无法避免的问题。
为了解决这个问题，JAVA 提供了一系列并发容器，这些容器在内部已经处理了并发问题，使得我们可以在多线程环境下安全地访问和修改数据。
并发容器
1.ConcurrentHashMap 并发版 HashMap
最常见的并发容器之一，可以用作并发场景下的缓存。底层依然是哈希表，但在 JAVA 8 中有了不小的改变，而 JAVA 7 和 JAVA 8 都是用的比较多的版本，因此经常会将这两个版本的实现方式做一些比较（比如面试中）。
一个比较大的差异就是，JAVA 7 中采用分段锁来减少锁的竞争，JAVA 8 中放弃了分段锁，采用 CAS（一种乐观锁），同时为了防止哈希冲突严重时退化成链表（冲突时会在该位置生成一个链表，哈希值相同的对象就链在一起），会在链表长度达到阈值（8）后转换成红黑树（比起链表，树的查询效率更稳定）。
示例
import java.util.concurrent.*;
public class ConcurrentHashMapExample {
public static void mAIn(String[] args) {
// Creating a ConcurrentHashMap
ConcurrentHashMap<String, String> map = new ConcurrentHashMap<String, String>();
// Adding elements to the ConcurrentHashMap
map.put("Key1", "Value1");
map.put("Key2", "Value2");
map.put("Key3", "Value3");
// Printing the ConcurrentHashMap
System.out.println("ConcurrentHashMap: " + map);
}
}
2.CopyOnWriteArrayList 并发版 ArrayList
并发版 ArrayList，底层结构也是数组，和 ArrayList 不同之处在于：当新增和删除元素时会创建一个新的数组，在新的数组中增加或者排除指定对象，最后用新增数组替换原来的数组。
CopyOnWriteArrayList 的主要特性是，每当列表修改时，例如添加或删除元素，它都会创建列表的一个新副本。原始列表和新副本都可以进行并发读取，这样就可以在不锁定整个列表的情况下进行并发读取。这种方法在读取操作远多于写入操作的场景中非常有用。
适用场景：由于读操作不加锁，写（增、删、改）操作加锁，因此适用于读多写少的场景。
局限：由于读的时候不会加锁（读的效率高，就和普通 ArrayList 一样），读取的当前副本，因此可能读取到脏数据。如果介意，建议不用。
看看源码感受下：
示例
import java.util.concurrent.*;
public class CopyOnWriteArrayListExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个 CopyOnWriteArrayList
CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<String>();
// 向 CopyOnWriteArrayList 添加元素
list.add("Element1");
list.add("Element2");
list.add("Element3");
// 打印 CopyOnWriteArrayList
System.out.println("CopyOnWriteArrayList: " + list);
}
}
3.CopyOnWriteArraySet 并发 Set
基于 CopyOnWriteArrayList 实现（内含一个 CopyOnWriteArrayList 成员变量），也就是说底层是一个数组，意味着每次 add 都要遍历整个集合才能知道是否存在，不存在时需要插入（加锁）。
CopyOnWriteArraySet 的工作原理与 CopyOnWriteArrayList 类似。每当发生修改操作（如添加或删除元素）时，它都会创建集合的一个新副本。原始集合和新副本都可以进行并发读取，这样就可以在不锁定整个集合的情况下进行并发读取。这种方法在读取操作远多于写入操作的场景中非常有用。
适用场景：在 CopyOnWriteArrayList 适用场景下加一个，集合别太大（全部遍历伤不起）。
示例
import java.util.concurrent.*;
public class CopyOnWriteArraySetExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个 CopyOnWriteArraySet
CopyOnWriteArraySet<String> set = new CopyOnWriteArraySet<String>();
// 向 CopyOnWriteArraySet 添加元素
set.add("Element1");
set.add("Element2");
set.add("Element3");
// 打印 CopyOnWriteArraySet
System.out.println("CopyOnWriteArraySet: " + set);
}
}
4.ConcurrentLinkedQueue 并发队列 (基于链表)
基于链表实现的并发队列，使用乐观锁 (CAS) 保证线程安全。因为数据结构是链表，所以理论上是没有队列大小限制的，也就是说添加数据一定能成功。
ConcurrentLinkedQueue 是 Java 并发包的一部分，它是基于链接节点的无界线程安全队列。它按照 FIFO（先进先出）的原则对元素进行排序。
ConcurrentLinkedQueue 的主要优点是它允许完全并发的插入，并且使用了一种高效的“wait-free”算法。
示例
import java.util.concurrent.*;
public class ConcurrentLinkedQueueExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个 ConcurrentLinkedQueue
ConcurrentLinkedQueue<String> queue = new ConcurrentLinkedQueue<String>();
// 向 ConcurrentLinkedQueue 添加元素
queue.add("Element1");
queue.add("Element2");
queue.add("Element3");
// 打印 ConcurrentLinkedQueue
System.out.println("ConcurrentLinkedQueue: " + queue);
}
}
5.ConcurrentLinkedDeque 并发队列 (基于双向链表)
基于双向链表实现的并发队列，可以分别对头尾进行操作，因此除了先进先出 (FIFO)，也可以先进后出（FILO），当然先进后出的话应该叫它栈了。
ConcurrentLinkedDeque 是 Java 并发包的一部分，它是一个基于链接节点的无界并发双端队列。在 ConcurrentLinkedDeque 中，添加、删除等操作可以在队列的两端进行，使其具有更高的并发性。
示例
import java.util.concurrent.*;
public class ConcurrentLinkedDequeExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个 ConcurrentLinkedDeque
ConcurrentLinkedDeque<String> deque = new ConcurrentLinkedDeque<String>();
// 向 ConcurrentLinkedDeque 添加元素
deque.add("Element1");
deque.addFirst("Element2");
deque.addLast("Element3");
// 打印 ConcurrentLinkedDeque
System.out.println("ConcurrentLinkedDeque: " + deque);
}
}
6.ConcurrentSkipListMap 基于跳表的并发 Map
ConcurrentSkipListMap 是 Java 并发包的一部分，它是一个线程安全的排序映射表。它使用跳表的数据结构来保证元素的有序性和并发性。
跳表是一种可以进行二分查找的有序链表。ConcurrentSkipListMap 提供了预期的平均 log(n) 时间成本来执行 containsKey，get，put 和 remove 操作，并且它的并发性通常优于基于树的算法。
SkipList 即跳表，跳表是一种空间换时间的数据结构，通过冗余数据，将链表一层一层索引，达到类似二分查找的效果
示例
import java.util.concurrent.*;
public class ConcurrentSkipListMapExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个 ConcurrentSkipListMap
ConcurrentSkipListMap<String, String> map = new ConcurrentSkipListMap<String, String>();
// 向 ConcurrentSkipListMap 添加元素
map.put("Key1", "Value1");
map.put("Key2", "Value2");
map.put("Key3", "Value3");
// 打印 ConcurrentSkipListMap
System.out.println("ConcurrentSkipListMap: " + map);
}
}
7.ConcurrentSkipListSet 基于跳表的并发 Set
类似 HashSet 和 HashMap 的关系，ConcurrentSkipListSet 里面就是一个 ConcurrentSkipListMap，
ConcurrentSkipListSet 是 Java 并发包的一部分，它是一个线程安全的排序集合。它使用跳表的数据结构来保证元素的有序性和并发性。
跳表是一种可以进行二分查找的有序链表。ConcurrentSkipListSet 提供了预期的平均 log(n) 时间成本来执行 contains，add 和 remove 操作，并且它的并发性通常优于基于树的算法。
示例
import java.util.concurrent.*;
public class ConcurrentSkipListSetExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个 ConcurrentSkipListSet
ConcurrentSkipListSet<String> set = new ConcurrentSkipListSet<String>();
// 向 ConcurrentSkipListSet 添加元素
set.add("Element1");
set.add("Element2");
set.add("Element3");
// 打印 ConcurrentSkipListSet
System.out.println("ConcurrentSkipListSet: " + set);
}
}
8.ArrayBlockingQueue 阻塞队列 (基于数组)
ArrayBlockingQueue 是 Java 并发包的一部分，它是一个基于数组的有界阻塞队列。此队列按 FIFO（先进先出）原则对元素进行排序。
ArrayBlockingQueue 在尝试插入元素到已满队列或从空队列中移除元素时，会导致线程阻塞，直到有空间或元素可用。
基于数组实现的可阻塞队列，构造时必须制定数组大小，往里面放东西时如果数组满了便会阻塞直到有位置（也支持直接返回和超时等待），通过一个锁 ReentrantLock 保证线程安全。
乍一看会有点疑惑，读和写都是同一个锁，那要是空的时候正好一个读线程来了不会一直阻塞吗？
答案就在 notEmpty、notFull 里，这两个出自 lock 的小东西让锁有了类似 synchronized + wait + notify 的功能。传送门 → 终于搞懂了 sleep/wait/notify/notifyAll
示例
import java.util.concurrent.*;
public class ArrayBlockingQueueExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个 ArrayBlockingQueue
ArrayBlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<String>(3);
// 向 ArrayBlockingQueue 添加元素
try {
queue.put("Element1");
queue.put("Element2");
queue.put("Element3");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 打印 ArrayBlockingQueue
System.out.println("ArrayBlockingQueue: " + queue);
}
}
9.LinkedBlockingQueue 阻塞队列 (基于链表)
LinkedBlockingQueue 是 Java 并发包的一部分，它是一个基于链表的可选有界阻塞队列。此队列按照 FIFO（先进先出）的原则对元素进行排序。
LinkedBlockingQueue 在尝试插入元素到已满队列或从空队列中移除元素时，会导致线程阻塞，直到有空间或元素可用。
基于链表实现的阻塞队列，想比与不阻塞的 ConcurrentLinkedQueue，它多了一个容量限制，如果不设置默认为 int 最大值。
示例
import java.util.concurrent.*;
public class LinkedBlockingQueueExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个 LinkedBlockingQueue
LinkedBlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<String>(3);
// 向 LinkedBlockingQueue 添加元素
try {
queue.put("Element1");
queue.put("Element2");
queue.put("Element3");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 打印 LinkedBlockingQueue
System.out.println("LinkedBlockingQueue: " + queue);
}
}
10.LinkedBlockingDeque 阻塞队列 (基于双向链表)
LinkedBlockingDeque 是 Java 并发包的一部分，它是一个基于链表的可选有界阻塞双端队列。此队列按照 FIFO（先进先出）的原则对元素进行排序。
LinkedBlockingDeque 在尝试插入元素到已满队列或从空队列中移除元素时，会导致线程阻塞，直到有空间或元素可用。双端队列的优势在于可以从两端插入或移除元素。
类似 LinkedBlockingQueue，但提供了双向链表特有的操作。
示例
import java.util.concurrent.*;
public class LinkedBlockingDequeExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个 LinkedBlockingDeque
LinkedBlockingDeque<String> deque = new LinkedBlockingDeque<String>(3);
// 向 LinkedBlockingDeque 添加元素
try {
deque.putFirst("Element1");
deque.putLast("Element2");
deque.putFirst("Element3");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 打印 LinkedBlockingDeque
System.out.println("LinkedBlockingDeque: " + deque);
}
}
11.PriorityBlockingQueue 线程安全的优先队列
PriorityBlockingQueue 是 Java 并发包的一部分，它是一个无界的并发队列。它使用了和类 java.util.PriorityQueue 一样的排序规则，并且能够确保在并发环境下的线程安全。
PriorityBlockingQueue 中的元素按照自然顺序或者由比较器提供的顺序进行排序。队列不允许使用 null 元素。
构造时可以传入一个比较器，可以看做放进去的元素会被排序，然后读取的时候按顺序消费。某些低优先级的元素可能长期无法被消费，因为不断有更高优先级的元素进来。
示例
import java.util.concurrent.*;
public class PriorityBlockingQueueExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个 PriorityBlockingQueue
PriorityBlockingQueue<String> queue = new PriorityBlockingQueue<String>();
// 向 PriorityBlockingQueue 添加元素
queue.add("Element1");
queue.add("Element2");
queue.add("Element3");
// 打印 PriorityBlockingQueue
System.out.println("PriorityBlockingQueue: " + queue);
}
}
12.SynchronousQueue 数据同步交换的队列
SynchronousQueue 是 Java 并发包的一部分，它是一个不存储元素的阻塞队列。每一个 put 操作必须等待一个 take 操作，否则不能继续添加元素，反之亦然。
这种特性使 SynchronousQueue 成为线程之间传递数据的好工具。它可以看作是一个传球手，负责把生产者线程处理的数据直接传递给消费者线程。
一个虚假的队列，因为它实际上没有真正用于存储元素的空间，每个插入操作都必须有对应的取出操作，没取出时无法继续放入。
示例
import java.util.concurrent.SynchronousQueue;
public class Main {
public static void main(String[] args) {
SynchronousQueue<Integer> queue = new SynchronousQueue<>();
new Thread(()->{
try{
for(int i=0;;i++){
System.out.println("放入：" + i);
queue.put(i);
}
}catch (InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}
}).start();
new Thread(()->{
try{
while(true){
System.out.println("取出：" + queue.take());
Thread.sleep((long)(Math.random()*2000));
}
}catch (InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}
}).start();
}
}
运行结果：
取出：0 放入：0 取出：1 放入：1 放入：2 取出：2 取出：3 放入：3 取出：4 放入：4 ... ...
可以看到，写入的线程没有任何 sleep，可以说是全力往队列放东西，而读取的线程又很不积极，读一个又 sleep 一会。输出的结果却是读写操作成对出现。
JAVA 中一个使用场景就是 Executors.newCachedThreadPool()，创建一个缓存线程池。
13.LinkedTransferQueue 基于链表的数据交换队列
LinkedTransferQueue 是 Java 并发包的一部分，它是一个由链表结构组成的无界转移阻塞队列。队列按照 FIFO（先进先出）的原则对元素进行排序。
LinkedTransferQueue 的一个特性是，它可以尝试将元素直接转移给消费者，如果没有等待的消费者，元素就会被添加到队列的尾部，等待消费者来获取。
实现了接口 TransferQueue，通过 transfer 方法放入元素时，如果发现有线程在阻塞在取元素，会直接把这个元素给等待线程。如果没有人等着消费，那么会把这个元素放到队列尾部，并且此方法阻塞直到有人读取这个元素。和 SynchronousQueue 有点像，但比它更强大。
示例
import java.util.concurrent.*;
public class LinkedTransferQueueExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个 LinkedTransferQueue
LinkedTransferQueue<String> queue = new LinkedTransferQueue<String>();
// 启动一个新线程来从 LinkedTransferQueue 取出元素
new Thread(() -> {
try {
System.out.println("Taken: " + queue.take());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
// 向 LinkedTransferQueue 添加一个元素
try {
queue.transfer("Element");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
14.DelayQueue 延时队列
DelayQueue 是 Java 并发包的一部分，它是一个无界阻塞队列，只有在延迟期满时才能从中提取元素。此队列的头部是延迟期满后保存时间最长的元素。如果延迟都还没有期满，则队列没有头部，并且 poll 将返回 null。
元素在 DelayQueue 中的顺序是按照其到期时间的先后顺序进行排序的，越早到期的元素越排在队列前面。延迟队列常用于实现定时任务功能。
可以使放入队列的元素在指定的延时后才被消费者取出，元素需要实现 Delayed 接口。
示例
import java.util.concurrent.*;
public class DelayQueueExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个 DelayQueue
DelayQueue<DelayedElement> queue = new DelayQueue<DelayedElement>();
// 向 DelayQueue 添加一个元素，延迟 3 秒
queue.put(new DelayedElement(3000, "Element"));
// 从 DelayQueue 获取元素
try {
DelayedElement element = queue.take();
System.out.println("Taken: " + element);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
class DelayedElement implements Delayed {
private long delayTime; // 延迟时间
private long expire; // 到期时间
private String element; // 元素数据
public DelayedElement(long delay, String element) {
this.delayTime = delay;
this.element = element;
this.expire = System.currentTimeMillis() + delay;
}
@Override
public long getDelay(TimeUnit unit) {
return unit.convert(expire - System.currentTimeMillis(), TimeUnit.MILLISECONDS);
}
@Override
public int compareTo(Delayed o) {
return (int) (this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS) - o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS));
}
@Override
public String toString() {
return element;
}
}
总结
从上面的介绍总总结有以下几种容器类
-
ConcurrentHashMap：并发版 HashMap
-
CopyOnWriteArrayList：并发版 ArrayList
-
CopyOnWriteArraySet：并发 Set
-
ConcurrentLinkedQueue：并发队列 (基于链表)
-
ConcurrentLinkedDeque：并发队列 (基于双向链表)
-
ConcurrentSkipListMap：基于跳表的并发 Map
-
ConcurrentSkipListSet：基于跳表的并发 Set
-
ArrayBlockingQueue：阻塞队列 (基于数组)
-
LinkedBlockingQueue：阻塞队列 (基于链表)
-
LinkedBlockingDeque：阻塞队列 (基于双向链表)
-
PriorityBlockingQueue：线程安全的优先队列
-
SynchronousQueue：读写成对的队列
-
LinkedTransferQueue：基于链表的数据交换队列
-
DelayQueue：延时队列
Java 并发容器为处理多线程环境下的数据访问和修改提供了强大的工具。
通过了解和学习这些并发容器，我们可以更好地理解并发编程，更有效地处理并发问题。
无论你是正在学习 Java，还是已经在使用 Java 进行开发，我都强烈建议你深入了解这些并发容器，它们将在你的并发编程之路上起到重要的作用。
