Java高并发编程（马士兵老师视频）笔记（二）并发容器

最新推荐文章于 2024-04-28 09:44:26 发布

zl_StepByStep

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分类专栏： Java 面试 Java基础文章标签：多线程安全的单例模式并发容器并发队列阻塞式队列

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本篇主要总结了：线程安全的单例模式和并发容器。其中并发容器包含：ConcurrentHashMap、ConcurrentSkipListMap、CopyOnWriteArrayList和队列相关的内部加锁的并发队列ConcurrentLinkedQueue 以及阻塞队列BlockingQueue （LinkedBlockingQueue、ArrayBlockingQueue 、DelayQueue 、TransferQueue、SynchronizedQueue ）

参看java-面试-Java并发容器大合集

1.线程安全的单例模式。

♣ 1.1 多线程安全单例模式（不使用同步锁）

♣ 1.2 多线程安全单例模式（延迟/懒加载使用同步方法）

♣ 1.3 多线程安全单例模式（延迟/懒加载使用双重同步锁）

♣ 1.4 多线程安全单例模式（延迟/懒加载使用静态内部类）

2.并发容器

♣ 例2.1 多编程卖票

♣♣ 2.1.1 普通的思路来写，分析问题所在

♣♣ 2.1.2 使用线程安全的容器Vector

♣♣ 2.1.3 在判断和操作放在同步代码块中

♣♣ 2.1.4 使用队列（Queue）来实现

♣ 2.2 List、Map相关的

♣♣ 2.2.1 ConcurrentHashMap和ConcurrentSkipListMap

♣♣ 2.2.1 CopyOnWriteArrayList 写时复制容器

♣ 2.3 Queue（队列）相关

♣♣ 2.3.1 ConcurrentLinkedQueue 并发队列（内部加锁的）

♣♣ 2.3.2 BlockingQueue 阻塞式队列

1.线程安全的单例模式。

单例模式就是说系统中对于某类只能有一个实例对象，不能出现第二个！面试中常常会被问到或者手写一个线程安全的单例模式，主要考察多线程情况下的线程安全问题。

♣ 1.1 多线程安全单例模式（不使用同步锁）

/*直接加载。缺点：在该类加载的时候就会直接new一个静态对象出来，当系统中这样的类较多时，就使得启动速度变慢。*/
public class SingletonDirectlyNew {
    private static SingletonDirectlyNew single = new SingletonDirectlyNew();  //直接初始化一个对象
    private SingletonDirectlyNew() { //构造方法私有，保证其他类对象不能直接new一个该对象的实例
        
    }
    public static SingletonDirectlyNew getSingle(){ //该类唯一的一个public方法
        return single;
    }
}

现在流行的设计都是讲“延迟加载”，可以在第一次使用的时候才初始化第一个该类的对象。

♣ 1.2 多线程安全单例模式（延迟/懒加载使用同步方法）

/*锁住了一个方法，锁的力度有点大*/
public class SingletonSynMethod {
    private static SingletonSynMethod instance;
    private SingletonSynMethod() {  //构造方法私有
        
    }
    public static synchronized SingletonSynMethod getInstance() {  //对获取实例的方法进行同步
        if (instance == null) {
            instance = new SingletonSynMethod();
        }
        return instance;
    }
}

♣ 1.3 多线程安全单例模式（延迟/懒加载使用双重同步锁）

public class SingletonDoubleSyn {
    private static SingletonDoubleSyn instance;
    private SingletonDoubleSyn () {  //构造方法私有
        
    }
    public static SingletonDoubleSyn getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (SingletonDoubleSyn.class) {  //锁定new语句
                if (instance == null) {
                    instance = new SingletonDoubleSyn();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

♣ 1.4 多线程安全单例模式（延迟/懒加载使用静态内部类）

/*不用加锁 也能实现懒加载*/
public class SingletonInner {
    private SingletonInner() {

    }
    private static class Inner { //静态内部类
        private static SingletonInner s = new SingletonInner();
    }
    private static  SingletonInner getSingle() {
        return Inner.s;
    }
}

2.并发容器

♣ 例2.1 多编程卖票

♣♣ 2.1.1 普通的思路来写，分析问题所在

/*下面程序模拟卖票可能会出现两个问题：①票卖重了 ②还剩最后一张票时，好几个线程同时抢，出现-1张票
* 出现上面两个问题主要是因为：①remove()方法不是原子性的 ②判断+操作不是原子性的*/
public class TicketSeller1 {
    static List<String> tickets = new ArrayList<>();
    static {
        for (int i=0; i<10000; i++) {  //共一万张票
            tickets.add("票编号--" + i);
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        for (int i=0; i<10; i++) {   //共10个线程卖票
            new Thread(()->{
                while(tickets.size() > 0) {  //判断余票
                    System.out.println("销售了..." + tickets.remove(0)); //操作减票
                }
            }).start();
        }
    }
}

♣♣ 2.1.2 使用线程安全的容器Vector

/*本程序虽然用了Vector作为容器，Vector中的方法都是原子性的，但是在判断size和减票的中间还是可能被打断的，即被减到-1张*/
public class TicketSeller2 {
    static Vector<String> tickets = new Vector<>();  //Vector是一个同步容器
    static {
        for (int i=0; i<100; i++) tickets.add("票编号-" + i);
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int i=0; i<10; i++) {
            new Thread(()->{
                while(tickets.size() > 0) {  //判断余票
                    try {
                        Thread.sleep(500);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println("销售了--"+tickets.remove(0));  //操作减票
                }
            }).start();
        }
    }
}

数组越界：

♣♣ 2.1.3 在判断和操作放在同步代码块中

/*将判断和操作外面加锁，程序完全没有功能上的问题，但是效率很低*/
public class TicketSeller3 {
    static List<String> tickets = new LinkedList<>();
    static {
        for (int i=0; i<100; i++) {  //共100张票
            tickets.add("票编号:" + i);
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        for (int i=0; i<10; i++) {   //共10个线程卖票
            new Thread(()->{
                while(true) {
                    synchronized (tickets) {
                        if (tickets.size() <= 0) break;  //判断 余票
                        try {
                            Thread.sleep(100);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                        System.out.println("销售了--" + tickets.remove(0)); //操作减票
                    }
                }

            }).start();
        }
    }
}

♣♣ 2.1.4 使用队列（Queue）来实现

/*ConcurrentLinkedQueue底层不是加锁的实现，而是ConcurrentSet，效率会高很多。
* Queue一开始不是空的。先poll，再判断tickets是不是空的，最后没有任何操作，所以不用加锁也不会出现任何问题*/
public class TicketSeller4 {
    static Queue<String> tickets = new ConcurrentLinkedQueue<>();
    static {
        for (int i=0; i<1000; i++) {
            System.out.println("票编号：" + i );
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int i=0; i<10; i++) {
            new Thread( ()-> {
                while(true) {
                    String str = tickets.poll(); //poll方法是原子性的，拿出一张票
                    if(str == null) break;
                    else System.out.println("销售了.." + str);
                }
            }).start();
        }
    }
}

************************************************开始并发容器的部分了****************************************************

♣ 2.2 List、Map相关的

♣♣ 2.2.1 ConcurrentHashMap和ConcurrentSkipListMap

马老师的视频是2017年的，那时候他应该是按照jdk7中HashMap的底层结构来讲的。jdk8中将之前数组+链表的底层结构改成了数组+链表+红黑树，我对于红黑树那一块还不是很明白，先按马老师讲的记下笔记吧！

HashMap和HashTable的区别就是HashTable是线程安全的，支持并发操作，效率不够高，所有方法都加了锁，而HashMap线程不安全，实现相对简单，不支持并发操作。

ConcurrentHashMap支持并发操作，整个 ConcurrentHashMap 由一个个 Segment 组成，Segment 代表”部分“或”一段“的意思，所以很多地方都会将其描述为分段锁。简言之，ConcurrentHashMap 是一个个Segment 数组，Segment 通过继承 ReentrantLock 来加锁，所以每次需要加锁的操作锁住的是一个 segment，这样只要保证每个 Segment 是线程安全的，也就实现了全局的线程安全。concurrencyLevel（并行级别/并发数/Segment 数）默认是 16，即 ConcurrentHashMap 有 16 个 Segments，所以理论上，最多可以同时支持 16 个线程并发写，只要它们的操作分别分布在不同的 Segment 上。这个值可以在初始化的时候设置为其他值，但是一旦初始化以后，它是不可以扩容的。此段是Java7（HashMap结构是数组+链表）的，java8的HashMap结构是数组+链表+红黑树，暂时还没弄太明白。

ConcurrentSkipListMap和Treemap插入时效率比较低，需要排好顺序。但是查的时候效率很高。

java8 ConcurrentHashMap

public class ConcurrentHashMapTest {
    public static void main(String[] args) {
        Map<String,String> map = new ConcurrentHashMap<>();
//        Map<String,String> map = new ConcurrentSkipListMap<>(); //同TreeMap，插入时效率比较低。查快


//        Map<String,String> map = new Hashtable<>();
//        Map<String,String> map = new HashMap<>();
//        Map<String,String> map = new TreeMap<>();  //插入时要排序，所以插入可能会比较慢

        Random r = new Random();
        Thread[] threads = new Thread[100];
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(threads.length);  //门闩计数器  100
        long start = System.currentTimeMillis(); //开始时间
        for (int i=0; i<threads.length; i++) {
            threads[i] = new Thread(()->{
                for (int j=0; j<10000; j++) {  //向map中加入1万个随机字符串
                    map.put("a" + r.nextInt(100000),"a"+r.nextInt(100000));
                }
                latch.countDown();  //每执行一个线程，就countdown一次
            });
        }
        Arrays.asList(threads).forEach(t->t.start());  //所有线程启动
        try {
            latch.await(); //主线程在这等着，直到countdown到0
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        long end = System.currentTimeMillis();  //结束时间
        System.out.println(end - start);  //程序执行时间
    }
}

tips：Map和Set本质上是一样的，只是Set只有key，没有value，所以下面谈到的Map可以替换成Set。

在不加锁的情况下，可以用：HashMap、TreeMap、LinkedHashMap。想加锁可以用Hashtable（用的非常少）。

在并发量不是很高的情况下，可以用Collections.synchronizedXxx()方法，在该方法中传一个不加锁的容器（如Map），它返回一个加了锁的容器（容器中的所有方法加锁）！

在并发性比较高的情况下，用ConcurrentHashMap ，如果并发性高且要排序的情况下，用ConcurrentSkipListMap。

♣♣ 2.2.1 CopyOnWriteArrayList 写时复制容器

CopyOnWriteArrayList在多线程环境下，写时效率低，读时效率高，适合写少读多的环境，比如事件监听器。

/*写时复制：添加元素的时候，会把这个容器复制一份，在复制的那份后面加一个新的，将引用指向复制的那份。
 *读的时候不用加锁，适合写的很少，读的特别多的时候。 */
public class CopyOnWriteListTest {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list =
//                new ArrayList<>();  //这个会出并发问题,最后size<100000，，运行时间：0.1秒多
//                new Vector<>(); //size=100000，，运行时间：0.1秒多
                new CopyOnWriteArrayList<>(); //size=100000，效率很低，因为一直在“复制、写”，运行时间：5秒多
        Random r = new Random();
        Thread[] threads = new Thread[100];
        for (int i=0; i<threads.length; i++) {  //起100个线程，每个线程向容器中加1000个数（最终应该是10万个数）
            Runnable task = new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int j=0; j<1000; j++) list.add("a" + r.nextInt());
                }
            };
            threads[i] = new Thread(task);
        }
        runAndComputeTime(threads);
        System.out.println(list.size());
    }

    static void runAndComputeTime(Thread[] threads) {
        long start = System.currentTimeMillis();
        Arrays.asList(threads).forEach(t->t.start());
        Arrays.asList(threads).forEach(t->{
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(end-start);
    }
}

♣ 2.3 Queue（队列）相关

♣♣ 2.3.1 ConcurrentLinkedQueue 并发队列（内部加锁的）

public class ConcurrentQueue {
    public static void main(String[] args) {
        Queue<String> strs = new ConcurrentLinkedQueue<>();   //还有双端队列...Deque
        for (int i=0; i<10; i++) {
            //类似于add方法，如果是ArrayQueue，add方法可能会抛异常，但是offer方法不会抛异常，返回boolean类型即是否添加成功
            strs.offer("a"+i);
        }
        System.out.println(strs);  //[a0, a1, a2, a3, a4, a5, a6, a7, a8, a9]
        System.out.println("队列原始大小：" + strs.size());   //队列原始大小：10
        //poll方法表示从头上拿出一个删掉；peek方法表示从头上拿出一个用一下不删。
        System.out.println("poll " + strs.poll() + "后的大小为：" + strs.size()); //poll a0后的大小为：9
        System.out.println("peek " + strs.peek() + "后的大小为：" + strs.size()); //peek a1后的大小为：9
    }
}

♣♣ 2.3.2 BlockingQueue 阻塞式队列

♣♣♣ LinkedBlockingQueue 无界阻塞式队列

/*无界阻塞式队列*/
public class LinkedBlockingQueueTest {
    static BlockingQueue<String> strs = new LinkedBlockingQueue<>();
    static Random r = new Random();
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(()->{  //1个生产者线程
            for (int i=0; i<100; i++) {
                try {
                    strs.put("a" + i);  //如果满了，就会等待
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(r.nextInt(100));
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"producer").start();

        for (int i=0; i<5; i++) {  //5个消费者进程
            new Thread(()-> {
                for (;;) {
                    try {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                                + " take-" + strs.take()); //如果空了，就等待
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            },"customer"+i).start();
        }
    }
}

♣♣♣ ArrayBlockingQueue 有界阻塞式队列

/*有界阻塞式队列*/
public class ArrayBlockingQueueTest {
   static BlockingQueue<String> strs = new ArrayBlockingQueue<>(10); //最多装10个
   static Random r = new Random();

    public static void main(String[] args) {
        for (int i=0; i<10; i++) {
            try {
                strs.put("a" + i);  //向容器中添加10个，就满了
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        try { //strs已经满了，以下方法都加不进去，但是处理方式不同
            strs.put("aaa");//发现满了，就会等待，程序阻塞
            strs.add("aaa");  //已经满了，再往里面装就会报异常
            strs.offer("aaa");//不会报异常，但是加不进去，返回是否添加成功
            strs.offer("aaa",1,TimeUnit.SECONDS); //1秒钟后加不进去，就不往里面加了
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(strs);
    }
}

♣♣♣ DelayQueue 执行定时任务

往DelayQueue里加的元素是按时间排好序的，该队列是无界的。另外元素要实现Delayed接口，而Delayed接口又继承了Comparable接口，所以该类元素需要实现compareTo()方法；并且每个元素记载着自己还有多长时间才能被拿走，还要实现getDelay()方法。

public class DelayQueueTest {
    static DelayQueue<MyTask> tasks = new DelayQueue<>();

    static class MyTask implements Delayed {  //实现Delayed接口
        long runningTime;
        String name;
        MyTask(long rt,String name) {
            this.runningTime = rt;
            this.name = name;
        }

        @Override
        public long getDelay(TimeUnit unit) { 
            return unit.convert(runningTime-System.currentTimeMillis(),TimeUnit.MILLISECONDS);
        }

        @Override
        public int compareTo(Delayed o) {
            if (this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS) < o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS))
                return -1;
            else if (this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS) > o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS))
                return 1;
            else  // ==
            return 0;
        }

        @Override
        public String toString() {
            return name + "--" + runningTime;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        long now = System.currentTimeMillis();
        MyTask t1 = new MyTask(now + 1000, "task1"); //1 s 后执行 //②
        MyTask t2 = new MyTask(now + 2000, "task2"); //2 s后执行  //④
        MyTask t3 = new MyTask(now + 1500, "task3"); //1.5s后执行 //③
        MyTask t4 = new MyTask(now + 500, "task4");  //0.5s后执行 //①
        MyTask t5 = new MyTask(now + 2500, "task5"); //2.5s后执行 //⑤

        tasks.put(t1);
        tasks.put(t2);
        tasks.put(t3);
        tasks.put(t4);
        tasks.put(t5);

        System.out.println(tasks);
        for (int i=0; i<5; i++) {
            try {
                System.out.println(tasks.take()); //按放进去的顺序拿出
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

♣♣♣ TransferQueue

适用场景：消费者先启动，生产者生产一个东西的时候，不扔在队列里，而是直接去找有没有消费者，有的话直接扔给消费者，若没有消费者线程，调用transfer()方法就会阻塞，调用add()、offer()、put()方法不会阻塞。TransferQueue适用于更高的并发情况

/*消费者先启动，生产者生产一个东西的时候，不扔在队列里，而是直接去找有没有消费者，有的话直接扔给消费者，
 若没有消费者线程，调用transfer()方法就会阻塞，调用add()、offer()、put()方法不会阻塞。*/
public class TransferQueueTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        LinkedTransferQueue<String> strs = new LinkedTransferQueue<>();
        new Thread(()->{ //消费者先启动,可以拿走aaa
            try {
                System.out.println(strs.take());
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
        strs.transfer("aaa");
//        strs.put("aaaa");  //add、offer
//        new Thread(()->{ //消费者在生产者后启动,拿不到aaa，程序阻塞
//            try {
//                System.out.println(strs.take());
//            } catch (InterruptedException e) {
//                e.printStackTrace();
//            }
//        }).start();
    }
}

♣♣♣ SynchronizedQueue （特殊的TransferQueue，容量为0）

扔在队列的东西必须被消费者马上消费掉，否则就会出问题。

/*一种特殊的TransferQueue，生产的任何一个东西必须直接交给消费者消费，不能搁在容器里，容器的容量为0*/
public class SynchronizeQueueTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        BlockingQueue<String> strs = new SynchronousQueue<>();

        new Thread(()->{  //消费者线程
            try {
                System.out.println(strs.take());
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
        strs.put("aaaa"); //不能调用add(报错)，add不进去，put阻塞，等待消费者消费，内部调用的transfer.
        System.out.println(strs.size());  //0
    }
}

线程池部分以后再总结。。。

Executor类图

zl_StepByStep

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