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作者：acupt，專注Java，架構(gòu)師社區(qū)合伙人！

14個并發(fā)容器，你用過幾個？

不考慮多線程并發(fā)的情況下，容器類一般使用ArrayList、HashMap等線程不安全的類，效率更高。在并發(fā)場景下，常會用到ConcurrentHashMap、ArrayBlockingQueue等線程安全的容器類，雖然犧牲了一些效率，但卻得到了安全。

上面提到的線程安全容器都在java.util.concurrent包下，這個包下并發(fā)容器不少，今天全部翻出來鼓搗一下。

僅做簡單介紹，后續(xù)再分別深入探索。

簡介

• ConcurrentHashMap：并發(fā)版HashMap

• CopyOnWriteArrayList：并發(fā)版ArrayList

• CopyOnWriteArraySet：并發(fā)Set

• ConcurrentLinkedQueue：并發(fā)隊列(基于鏈表)

• ConcurrentLinkedDeque：并發(fā)隊列(基于雙向鏈表)

• ConcurrentSkipListMap：基于跳表的并發(fā)Map

• ConcurrentSkipListSet：基于跳表的并發(fā)Set

• ArrayBlockingQueue：阻塞隊列(基于數(shù)組)

• LinkedBlockingQueue：阻塞隊列(基于鏈表)

• LinkedBlockingDeque：阻塞隊列(基于雙向鏈表)

• PriorityBlockingQueue：線程安全的優(yōu)先隊列

• SynchronousQueue：讀寫成對的隊列

• LinkedTransferQueue：基于鏈表的數(shù)據(jù)交換隊列

• DelayQueue：延時隊列

ConcurrentHashMap 并發(fā)版HashMap

最常見的并發(fā)容器之一，可以用作并發(fā)場景下的緩存。底層依然是哈希表，但在JAVA 8中有了不小的改變，而JAVA 7和JAVA 8都是用的比較多的版本，因此經(jīng)常會將這兩個版本的實(shí)現(xiàn)方式做一些比較（比如面試中）。

一個比較大的差異就是，JAVA 7中采用分段鎖來減少鎖的競爭，JAVA 8中放棄了分段鎖，采用CAS（一種樂觀鎖），同時為了防止哈希沖突嚴(yán)重時退化成鏈表（沖突時會在該位置生成一個鏈表，哈希值相同的對象就鏈在一起），會在鏈表長度達(dá)到閾值（8）后轉(zhuǎn)換成紅黑樹（比起鏈表，樹的查詢效率更穩(wěn)定）。

CopyOnWriteArrayList 并發(fā)版ArrayList

并發(fā)版ArrayList，底層結(jié)構(gòu)也是數(shù)組，和ArrayList不同之處在于：當(dāng)新增和刪除元素時會創(chuàng)建一個新的數(shù)組，在新的數(shù)組中增加或者排除指定對象，最后用新增數(shù)組替換原來的數(shù)組。

適用場景：由于讀操作不加鎖，寫（增、刪、改）操作加鎖，因此適用于讀多寫少的場景。

局限：由于讀的時候不會加鎖（讀的效率高，就和普通ArrayList一樣），讀取的當(dāng)前副本，因此可能讀取到臟數(shù)據(jù)。如果介意，建議不用。

看看源碼感受下：

public class CopyOnWriteArrayList<E>
    implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
    final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private transient volatile Object[] array;

    // 添加元素，有鎖
    public boolean add(E e) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock(); // 修改時加鎖，保證并發(fā)安全
        try {
            Object[] elements = getArray(); // 當(dāng)前數(shù)組
            int len = elements.length;
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); // 創(chuàng)建一個新數(shù)組，比老的大一個空間
            newElements[len] = e; // 要添加的元素放進(jìn)新數(shù)組
            setArray(newElements); // 用新數(shù)組替換原來的數(shù)組
            return true;
        } finally {
            lock.unlock(); // 解鎖
        }
    }

    // 讀元素，不加鎖，因此可能讀取到舊數(shù)據(jù)
    public E get(int index) {
        return get(getArray(), index);
    }
}

CopyOnWriteArraySet 并發(fā)Set

基于CopyOnWriteArrayList實(shí)現(xiàn)（內(nèi)含一個CopyOnWriteArrayList成員變量），也就是說底層是一個數(shù)組，意味著每次add都要遍歷整個集合才能知道是否存在，不存在時需要插入（加鎖）。

適用場景：在CopyOnWriteArrayList適用場景下加一個，集合別太大（全部遍歷傷不起）。

ConcurrentLinkedQueue 并發(fā)隊列(基于鏈表)

基于鏈表實(shí)現(xiàn)的并發(fā)隊列，使用樂觀鎖(CAS)保證線程安全。因為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是鏈表，所以理論上是沒有隊列大小限制的，也就是說添加數(shù)據(jù)一定能成功。

ConcurrentLinkedDeque 并發(fā)隊列(基于雙向鏈表)

基于雙向鏈表實(shí)現(xiàn)的并發(fā)隊列，可以分別對頭尾進(jìn)行操作，因此除了先進(jìn)先出(FIFO)，也可以先進(jìn)后出（FILO），當(dāng)然先進(jìn)后出的話應(yīng)該叫它棧了。

ConcurrentSkipListMap 基于跳表的并發(fā)Map

SkipList即跳表，跳表是一種空間換時間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過冗余數(shù)據(jù)，將鏈表一層一層索引，達(dá)到類似二分查找的效果

ConcurrentSkipListSet 基于跳表的并發(fā)Set

類似HashSet和HashMap的關(guān)系，ConcurrentSkipListSet里面就是一個ConcurrentSkipListMap，就不細(xì)說了。

ArrayBlockingQueue 阻塞隊列(基于數(shù)組)

基于數(shù)組實(shí)現(xiàn)的可阻塞隊列，構(gòu)造時必須制定數(shù)組大小，往里面放東西時如果數(shù)組滿了便會阻塞直到有位置（也支持直接返回和超時等待），通過一個鎖ReentrantLock保證線程安全。

用offer操作舉個例子：

public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
        implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
    /**
     * 讀寫共用此鎖，線程間通過下面兩個Condition通信
     * 這兩個Condition和lock有緊密聯(lián)系（就是lock的方法生成的）
     * 類似Object的wait/notify
     */
    final ReentrantLock lock;

    /** 隊列不為空的信號，取數(shù)據(jù)的線程需要關(guān)注 */
    private final Condition notEmpty;

    /** 隊列沒滿的信號，寫數(shù)據(jù)的線程需要關(guān)注 */
    private final Condition notFull;

    // 一直阻塞直到有東西可以拿出來
    public E take() throws InterruptedException {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == 0)
                notEmpty.await();
            return dequeue();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    // 在尾部插入一個元素，隊列已滿時等待指定時間，如果還是不能插入則返回
    public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException {
        checkNotNull(e);
        long nanos = unit.toNanos(timeout);
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly(); // 鎖住
        try {
            // 循環(huán)等待直到隊列有空閑
            while (count == items.length) {
                if (nanos <= 0)
                    return false;// 等待超時，返回
                // 暫時放出鎖，等待一段時間（可能被提前喚醒并搶到鎖，所以需要循環(huán)判斷條件）
                // 這段時間可能其他線程取走了元素，這樣就有機(jī)會插入了
                nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
            }
            enqueue(e);//插入一個元素
            return true;
        } finally {
            lock.unlock(); //解鎖
        }
    }

乍一看會有點(diǎn)疑惑，讀和寫都是同一個鎖，那要是空的時候正好一個讀線程來了不會一直阻塞嗎？

答案就在notEmpty、notFull里，這兩個出自lock的小東西讓鎖有了類似synchronized + wait + notify的功能。傳送門 → 終于搞懂了sleep/wait/notify/notifyAll

LinkedBlockingQueue 阻塞隊列(基于鏈表)

基于鏈表實(shí)現(xiàn)的阻塞隊列，想比與不阻塞的ConcurrentLinkedQueue，它多了一個容量限制，如果不設(shè)置默認(rèn)為int最大值。

LinkedBlockingDeque 阻塞隊列(基于雙向鏈表)

類似LinkedBlockingQueue，但提供了雙向鏈表特有的操作。

PriorityBlockingQueue 線程安全的優(yōu)先隊列

構(gòu)造時可以傳入一個比較器，可以看做放進(jìn)去的元素會被排序，然后讀取的時候按順序消費(fèi)。某些低優(yōu)先級的元素可能長期無法被消費(fèi)，因為不斷有更高優(yōu)先級的元素進(jìn)來。

SynchronousQueue 數(shù)據(jù)同步交換的隊列

一個虛假的隊列，因為它實(shí)際上沒有真正用于存儲元素的空間，每個插入操作都必須有對應(yīng)的取出操作，沒取出時無法繼續(xù)放入。

一個簡單的例子感受一下：

import java.util.concurrent.*;

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        SynchronousQueue<Integer> queue = new SynchronousQueue<>();
        new Thread(() -> {
            try {
                // 沒有休息，瘋狂寫入
                for (int i = 0; ; i++) {
                    System.out.println('放入: ' + i);
                    queue.put(i);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

        }).start();
        new Thread(() -> {
            try {
                // 咸魚模式取數(shù)據(jù)
                while (true) {
                    System.out.println('取出: ' + queue.take());
                    Thread.sleep((long) (Math.random() * 2000));
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

        }).start();
    }

}

/* 輸出:

放入: 0
取出: 0
放入: 1
取出: 1
放入: 2
取出: 2
放入: 3
取出: 3

*/

可以看到，寫入的線程沒有任何sleep，可以說是全力往隊列放東西，而讀取的線程又很不積極，讀一個又sleep一會。輸出的結(jié)果卻是讀寫操作成對出現(xiàn)。

JAVA中一個使用場景就是Executors.newCachedThreadPool()，創(chuàng)建一個緩存線程池。

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
    return new ThreadPoolExecutor(
        0, // 核心線程為0，沒用的線程都被無情拋棄
        Integer.MAX_VALUE, // 最大線程數(shù)理論上是無限了，還沒到這個值機(jī)器資源就被掏空了
        60L, TimeUnit.SECONDS, // 閑置線程60秒后銷毀
        new SynchronousQueue<Runnable>()); // offer時如果沒有空閑線程取出任務(wù)，則會失敗，線程池就會新建一個線程
}

LinkedTransferQueue 基于鏈表的數(shù)據(jù)交換隊列

實(shí)現(xiàn)了接口TransferQueue，通過transfer方法放入元素時，如果發(fā)現(xiàn)有線程在阻塞在取元素，會直接把這個元素給等待線程。如果沒有人等著消費(fèi)，那么會把這個元素放到隊列尾部，并且此方法阻塞直到有人讀取這個元素。和SynchronousQueue有點(diǎn)像，但比它更強(qiáng)大。

DelayQueue 延時隊列

可以使放入隊列的元素在指定的延時后才被消費(fèi)者取出，元素需要實(shí)現(xiàn)Delayed接口。

總結(jié)

上面簡單介紹了JAVA并發(fā)包下的一些容器類，知道有這些東西，遇到合適的場景時就能想起有個現(xiàn)成的東西可以用了。想要知其所以然，后續(xù)還得再深入探索一番。