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今天詳細(xì)介紹并發(fā)容器的實(shí)現(xiàn)原理，與同步容器的區(qū)別等。

并發(fā)容器的由來

在Java并發(fā)編程中，經(jīng)常聽到Java集合類，同步容器、并發(fā)容器，那么他們有哪些具體分類，以及各自之間的區(qū)別和優(yōu)劣呢？

只有把這些梳理清楚了，你才能真正掌握在高并發(fā)的環(huán)境下，正確使用好并發(fā)容器，我們先從Java集合類，同步容器談起。

1.什么是同步容器

Java的集合容器框架中，主要有四大類別：List、Set、Queue、Map，大家熟知的這些集合類ArrayList、LinkedList、HashMap這些容器都是非線程安全的。

如果有多個(gè)線程并發(fā)地訪問這些容器時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)問題。因此，在編寫程序時(shí)，在多線程環(huán)境下必須要求程序員手動(dòng)地在任何訪問到這些容器的地方進(jìn)行同步處理，這樣導(dǎo)致在使用這些容器的時(shí)候非常地不方便。

所以，Java先提供了同步容器供用戶使用。

同步容器可以簡單地理解為通過synchronized來實(shí)現(xiàn)同步的容器，比如Vector、Hashtable以及SynchronizedList等容器。

2.同步容器，主要的分類：

• Vector
• Stack
• HashTable
• Collections.synchronized方法生成

同步容器面臨的問題

可以通過查看Vector，Hashtable等這些同步容器的實(shí)現(xiàn)代碼，可以看到這些容器實(shí)現(xiàn)線程安全的方式就是將它們的狀態(tài)封裝起來，并在需要同步的方法上加上關(guān)鍵字synchronized。

這樣做的代價(jià)是削弱了并發(fā)性，當(dāng)多個(gè)線程共同競爭容器級的鎖時(shí)，吞吐量就會(huì)降低。

例如： HashTable只要有一條線程獲取了容器的鎖之后，其他所有的線程訪問同步函數(shù)都會(huì)被阻塞，因此同一時(shí)刻只能有一條線程訪問同步函數(shù)。

因此為了解決同步容器的性能問題，所以才有了并發(fā)容器。

什么是并發(fā)容器

java.util.concurrent包中提供了多種并發(fā)類容器。

并發(fā)類容器是專門針對多線程并發(fā)設(shè)計(jì)的，使用了鎖分段技術(shù)，只對操作的位置進(jìn)行同步操作，但是其他沒有操作的位置其他線程仍然可以訪問，提高了程序的吞吐量。

采用了CAS算法和部分代碼使用synchronized鎖保證線程安全。

并發(fā)容器有哪些分類

1.ConcurrentHashMap

對應(yīng)的非并發(fā)容器：HashMap

目標(biāo)：代替Hashtable、synchronizedMap，支持復(fù)合操作

原理：JDK6中采用一種更加細(xì)粒度的加鎖機(jī)制Segment“分段鎖”，JDK8中采用CAS無鎖算法。

2.CopyOnWriteArrayList

對應(yīng)的非并發(fā)容器：ArrayList

目標(biāo)：代替Vector、synchronizedList

原理：利用高并發(fā)往往是讀多寫少的特性，對讀操作不加鎖，對寫操作，先復(fù)制一份新的集合，在新的集合上面修改，然后將新集合賦值給舊的引用，并通過volatile 保證其可見性，當(dāng)然寫操作的鎖是必不可少的了。

3.CopyOnWriteArraySet

對應(yīng)的非并發(fā)容器：HashSet

目標(biāo)：代替synchronizedSet

原理：基于CopyOnWriteArrayList實(shí)現(xiàn)，其唯一的不同是在add時(shí)調(diào)用的是CopyOnWriteArrayList的addIfAbsent方法，其遍歷當(dāng)前Object數(shù)組，如Object數(shù)組中已有了當(dāng)前元素，則直接返回，如果沒有則放入Object數(shù)組的尾部，并返回。

4.ConcurrentSkipListMap

對應(yīng)的非并發(fā)容器：TreeMap

目標(biāo)：代替synchronizedSortedMap（TreeMap）

原理：Skip list（跳表）是一種可以代替平衡樹的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，默認(rèn)是按照Key值升序的。

5.ConcurrentSkipListSet

對應(yīng)的非并發(fā)容器：TreeSet

目標(biāo)：代替synchronizedSortedSet

原理：內(nèi)部基于ConcurrentSkipListMap實(shí)現(xiàn)

6.ConcurrentLinkedQueue

不會(huì)阻塞的隊(duì)列

對應(yīng)的非并發(fā)容器：Queue

原理：基于鏈表實(shí)現(xiàn)的FIFO隊(duì)列（LinkedList的并發(fā)版本）

7.LinkedBlockingQueue、ArrayBlockingQueue、PriorityBlockingQueue

對應(yīng)的非并發(fā)容器：BlockingQueue

特點(diǎn)：拓展了Queue，增加了可阻塞的插入和獲取等操作

原理：通過ReentrantLock實(shí)現(xiàn)線程安全，通過Condition實(shí)現(xiàn)阻塞和喚醒

實(shí)現(xiàn)類：

• LinkedBlockingQueue：基于鏈表實(shí)現(xiàn)的可阻塞的FIFO隊(duì)列
• ArrayBlockingQueue：基于數(shù)組實(shí)現(xiàn)的可阻塞的FIFO隊(duì)列
• PriorityBlockingQueue：按優(yōu)先級排序的隊(duì)列

ConcurrentHashMap的實(shí)現(xiàn)

HashMap,Hashtable與ConcurrentHashMap都是實(shí)現(xiàn)的哈希表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在隨機(jī)讀取的時(shí)候效率很高。

Hashtable實(shí)現(xiàn)同步是利用synchronized關(guān)鍵字進(jìn)行鎖定的，其是針對整張哈希表進(jìn)行鎖定的，即每次鎖住整張表讓線程獨(dú)占，在線程安全的背后是巨大的浪費(fèi)。

ConcurrentHashMap和Hashtable主要區(qū)別就是圍繞著鎖的粒度進(jìn)行區(qū)別以及如何區(qū)鎖定。

上圖中，左邊是Hashtable的實(shí)現(xiàn)方式，可以看到鎖住整個(gè)哈希表；而右邊則是ConcurrentHashMap的實(shí)現(xiàn)方式，單獨(dú)鎖住每一個(gè)桶（segment）.ConcurrentHashMap將哈希表分為16個(gè)桶（默認(rèn)值），諸如get（）,put（）,remove（）等常用操作只鎖當(dāng)前需要用到的桶,而size（）才鎖定整張表。

原來只能一個(gè)線程進(jìn)入，現(xiàn)在卻能同時(shí)接受16個(gè)寫線程并發(fā)進(jìn)入（寫線程需要鎖定，而讀線程幾乎不受限制）。

所以，才有了并發(fā)性的極大提升。

高并發(fā)編程，除了并發(fā)容器，還會(huì)涉及到并發(fā)工具類:CountDownLatch等，后續(xù)將詳細(xì)的介紹并發(fā)工具類，以及ConcurrentHashMap的底層實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，不僅要知其然,還要知其所以然，這樣才能更好的掌握好高并發(fā)編程。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Java多线程系列(七)：并发容器的原理，7大并发容器详解、及使用场景的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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