多线程(四)——Java并发包与并发队列

作者: 请收下章鱼君的膝盖 | 来源:发表于2018-11-28 23:09 被阅读37次

同步容器类：

Vector与ArrayList区别

1.ArrayList是最常用的List实现类，内部是通过数组实现的，它允许对元素进行快速随机访问。数组的缺点是每个元素之间不能有间隔，当数组大小不满足时需要增加存储能力，就要将已经有数组的数据复制到新的存储空间中。当从ArrayList的中间位置插入或者删除元素时，需要对数组进行复制、移动、代价比较高。因此，它适合随机查找和遍历，不适合插入和删除。
2.Vector与ArrayList一样，也是通过数组实现的，不同的是它支持线程的同步，即某一时刻只有一个线程能够写Vector，避免多线程同时写而引起的不一致性，但实现同步需要很高的花费，因此，访问它比访问ArrayList慢。
注意: Vector线程安全，底层对方法加上synchronized关键字、ArrayList线程不安全，底层方法未加同步关键字。
Vector源码类——Add方法源码类

ArrayList源码——Add方法源码

HashTable与HashMap

1.HashMap不是线程安全的
HashMap是一个接口，是Map接口的子接口，是将键映射到值的对象，其中键和值都是对象，并且不能包含重复键，但可以包含重复值。HashMap允许null key和null value，而hashtable不允许。
2.HashTable是线程安全的一个Collection。
3.HashMap是Hashtable的轻量级实现（非线程安全的实现），他们都完成了Map接口，主要区别在于HashMap允许空（null）键值（key）,由于非线程安全，效率上可能高于HashTable。
HashMap允许将null作为一个entry的key或者value，而HashTable不允许。
HashMap把HashTable的contains方法去掉了，改成containsValue和containsKey。
注意: HashTable线程安全，HashMap线程不安全。
源码分析：原理同Vector与ArrayList

synchronizedMap

Collections.synchronizedMap(hashMap)；将线程不安全的集合变为线程安全集合。
源码分析：

ConcurrentHashMap

ConcurrentMap接口下有两个重要的实现 :
1)ConcurrentHashMap
2)ConcurrentskipListMap (支持并发排序功能。弥补ConcurrentHashMap)
ConcurrentHashMap内部使用段(Segment)来表示这些不同的部分，每个段其实就是一个小的HashTable，它们有自己的锁。
只要多个修改操作发生在不同的段上，它们就可以并发进行。
把一个整体分成了16个段Segment，也就是最高支持16个线程的并发修改操作。
这也是在多线程场景时减小锁的粒度从而降低锁竞争的一种方案。
并且代码中大多共享变量使用volatile关键字声明，目的是第一时间获取修改的内容，性能非常好。

CountDownLatch

CountDownLatch类位于java.util.concurrent包下，利用它可以实现类似计数器的功能。
CountDownLatch结果为0, 阻塞变为运行状态。
比如有一个任务A，它要等待其他4个任务执行完毕之后才能执行，此时就可以利用CountDownLatch来实现这种功能了。

public class Test002 {
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    System.out.println("等待子线程执行完毕...");
    CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2);
    new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("子线程," + Thread.currentThread().getName() + "开始执行...");
            countDownLatch.countDown();// 每次减去1
            System.out.println("子线程," + Thread.currentThread().getName() + "结束执行...");
        }
    }).start();
    new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("子线程," + Thread.currentThread().getName() + "开始执行...");
            countDownLatch.countDown();
            System.out.println("子线程," + Thread.currentThread().getName() + "结束执行...");
        }
    }).start();

    countDownLatch.await();// 调用当前方法主线程阻塞  countDown结果为0, 阻塞变为运行状态
    System.out.println("两个子线程执行完毕....");
    System.out.println("继续主线程执行..");
  }
}

CyclicBarrier

CyclicBarrier初始化时规定一个数目，然后计算调用了CyclicBarrier.await()进入等待的线程数。当线程数达到了这个数目时，所有进入等待状态的线程被唤醒并继续。
CyclicBarrier就象它名字的意思一样，可看成是个障碍，所有的线程必须到齐后才能一起通过这个障碍。
CyclicBarrier初始时还可带一个Runnable的参数，此Runnable任务在CyclicBarrier的数目达到后，所有其它线程被唤醒前被执行。

class Writer extends Thread {
  private CyclicBarrier cyclicBarrier;
  public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier){
     this.cyclicBarrier=cyclicBarrier;
  }

  @Override
  public void run() {
    System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + ",正在写入数据");
    try {
        Thread.sleep(3000);
    } catch (Exception e) {
        // TODO: handle exception
    }
    System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + ",写入数据成功.....");
    
    try {
        cyclicBarrier.await();
    } catch (Exception e) {
    }
    System.out.println("所有线程执行完毕..........");
  }
}

public class Test001 {
  public static void main(String[] args) {
    CyclicBarrier cyclicBarrier=new CyclicBarrier(5);
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        Writer writer = new Writer(cyclicBarrier);
        writer.start();
    }
  }
}

Semaphore

Semaphore是一种基于计数的信号量。它可以设定一个阈值，基于此，多个线程竞争获取许可信号，做自己的申请后归还，超过阈值后，线程申请许可信号将会被阻塞。Semaphore可以用来构建一些对象池，资源池之类的，比如数据库连接池，我们也可以创建计数为1的Semaphore，将其作为一种类似互斥锁的机制，这也叫二元信号量，表示两种互斥状态。它的用法如下：
wc.availablePermits(); //用来获取当前可用的资源数量
wc.acquire(); //申请资源
wc.release();// 释放资源

代码结构

  // 创建一个计数阈值为5的信号量对象  
  // 只能5个线程同时访问  
  Semaphore semp = new Semaphore(5);  
    
  try {  
      // 申请许可  
      semp.acquire();  
      try {  
          // 业务逻辑  
      } catch (Exception e) {  
    
      } finally {  
          // 释放许可  
          semp.release();  
      }  
  } catch (InterruptedException e) {  
    
  }

案例:
需求: 一个厕所只有3个坑位，但是有10个人来上厕所，那怎么办？假设10的人的编号分别为1-10，并且1号先到厕所，10号最后到厕所。那么1-3号来的时候必然有可用坑位，顺利如厕，4号来的时候需要看看前面3人是否有人出来了，如果有人出来，进去，否则等待。同样的道理，4-10号也需要等待正在上厕所的人出来后才能进去，并且谁先进去这得看等待的人是否有素质，是否能遵守先来先上的规则。

代码:

class Parent implements Runnable {
  private String name;
  private Semaphore wc;
  public Parent(String name,Semaphore wc){
    this.name=name;
    this.wc=wc;
  }
  @Override
  public void run() {
    try {
        // 剩下的资源(剩下的茅坑)
        int availablePermits = wc.availablePermits();
        if (availablePermits > 0) {
            System.out.println(name+"天主我也,我有茅坑了...");
        } else {
            System.out.println(name+"怎么没有茅坑了...");
        }
        //申请茅坑 如果资源达到3次，就等待
        wc.acquire();
        System.out.println(name+"终于轮我上厕所了..爽啊");
        Thread.sleep(new Random().nextInt(1000)); // 模拟上厕所时间。
        System.out.println(name+"厕所上完了...");            
    } catch (Exception e) {

    }finally{
        wc.release();
    }
  }
}

public class TestSemaphore02 {
  public static void main(String[] args) {
    // 一个厕所只有3个坑位，但是有10个人来上厕所，那怎么办？假设10的人的编号分别为1-10，并且1号先到厕所，10号最后到厕所。那么1-3号来的时候必然有可用坑位，顺利如厕，4号来的时候需要看看前面3人是否有人出来了，如果有人出来，进去，否则等待。同样的道理，4-10号也需要等待正在上厕所的人出来后才能进去，并且谁先进去这得看等待的人是否有素质，是否能遵守先来先上的规则。
     Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
    for (int i = 1; i <=10; i++) {
         Parent parent = new Parent("第"+i+"个人,",semaphore);
         new Thread(parent).start();
    }
  }
}

并发队列：

在并发队列上JDK提供了两套实现：
一个是以ConcurrentLinkedQueue为代表的高性能队列，
一个是以BlockingQueue接口为代表的阻塞队列，
无论哪种都继承自Queue。

ConcurrentLinkedDeque

ConcurrentLinkedQueue是一个适用于高并发场景下的队列，通过无锁的方式，实现了高并发状态下的高性能。通常ConcurrentLinkedQueue性能好于BlockingQueue。它是一个基于链接节点的无界线程安全队列，该队列的元素遵循先进先出的原则。头是最先加入的，尾是最近加入的，该队列不允许null元素。
ConcurrentLinkedQueue重要方法:
add() 和offer() 都是加入元素的方法(在ConcurrentLinkedQueue中这两个方法没有任何区别)
poll() 和peek() 都是取头元素节点，区别在于前者会删除元素（出队列），后者不会。

代码示例：

ConcurrentLinkedDeque q = new ConcurrentLinkedDeque();
//入队列
q.offer("张三");
q.offer("李四");
//获取总长度
System.out.println(q.size());
//从头获取元素,删除该元素（出队列）
System.out.println(q.poll());
//从头获取元素,不刪除该元素
System.out.println(q.peek());
//获取总长度
System.out.println(q.size());

输出：

2
张三
李四
1

BlockingQueue

阻塞队列（BlockingQueue）是一个支持两个附加操作的队列。
这两个附加的操作是：
在队列为空时，获取元素的线程会等待队列变为非空。
当队列满时，存储元素的线程会等待队列可用。

阻塞队列常用于生产者和消费者的场景，生产者是往队列里添加元素的线程，消费者是从队列里拿元素的线程。阻塞队列就是生产者存放元素的容器，而消费者也只从容器里拿元素。

BlockingQueue即阻塞队列，从阻塞这个词可以看出，在某些情况下对阻塞队列的访问可能会造成阻塞。
被阻塞的情况主要有如下两种：
1）当队列满了的时候进行入队列操作
2）当队列空了的时候进行出队列操作
因此，当一个线程试图对一个已经满了的队列进行入队列操作时，它将会被阻塞，除非有另一个线程做了出队列操作；同样，当一个线程试图对一个空队列进行出队列操作时，它将会被阻塞，除非有另一个线程进行了入队列操作。

在Java中，BlockingQueue的接口位于java.util.concurrent 包中(在Java5版本开始提供)，由上面介绍的阻塞队列的特性可知，阻塞队列是线程安全的。
在新增的Concurrent包中，BlockingQueue很好的解决了多线程中，如何高效安全“传输”数据的问题。通过这些高效并且线程安全的队列类，为我们快速搭建高质量的多线程程序带来极大的便利。

常用的队列主要有以下两种：（当然通过不同的实现方式，还可以延伸出很多不同类型的队列，DelayQueue就是其中的一种）
1）先进先出（FIFO）：先插入的队列的元素也最先出队列，类似于排队的功能。从某种程度上来说这种队列也体现了一种公平性。
2）后进先出（LIFO）：后插入队列的元素最先出队列，这种队列优先处理最近发生的事件。

多线程环境中，通过队列可以很容易实现数据共享，比如经典的“生产者”和“消费者”模型中，通过队列可以很便利地实现两者之间的数据共享。假设我们有若干生产者线程，另外又有若干个消费者线程。如果生产者线程需要把准备好的数据共享给消费者线程，利用队列的方式来传递数据，就可以很方便地解决他们之间的数据共享问题。但如果生产者和消费者在某个时间段内，万一发生数据处理速度不匹配的情况呢？理想情况下，如果生产者产出数据的速度大于消费者消费的速度，并且当生产出来的数据累积到一定程度的时候，那么生产者必须暂停等待一下（阻塞生产者线程），以便等待消费者线程把累积的数据处理完毕，反之亦然。然而，在concurrent包发布以前，在多线程环境下，我们每个程序员都必须去自己控制这些细节，尤其还要兼顾效率和线程安全，而这会给我们的程序带来不小的复杂度。好在此时，强大的concurrent包横空出世了，而它也给我们带来了强大的BlockingQueue。（在多线程领域：所谓阻塞，在某些情况下会挂起线程（即阻塞），一旦条件满足，被挂起的线程又会自动被唤醒）

ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue是一个有边界的阻塞队列，它的内部实现是一个数组。有边界的意思是它的容量是有限的，我们必须在其初始化的时候指定它的容量大小，容量大小一旦指定就不可改变。
ArrayBlockingQueue是以先进先出的方式存储数据，最新插入的对象是尾部，最新移出的对象是头部。
下面是一个初始化和使用ArrayBlockingQueue的例子：

ArrayBlockingQueue<String> arrays = new ArrayBlockingQueue<String>(3);
arrays.add("李四");
arrays.add("张军");
arrays.add("张军");
// 添加阻塞队列
arrays.offer("张三", 1, TimeUnit.SECONDS);

LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue阻塞队列大小的配置是可选的，如果我们初始化时指定一个大小，它就是有边界的，如果不指定，它就是无边界的。说是无边界，其实是采用了默认大小为Integer.MAX_VALUE的容量。它的内部实现是一个链表。
和ArrayBlockingQueue一样，LinkedBlockingQueue 也是以先进先出的方式存储数据，最新插入的对象是尾部，最新移出的对象是头部。
下面是一个初始化和使LinkedBlockingQueue的例子：

LinkedBlockingQueue linkedBlockingQueue = new LinkedBlockingQueue(3);
linkedBlockingQueue.add("张三");
linkedBlockingQueue.add("李四");
linkedBlockingQueue.add("李四");
System.out.println(linkedBlockingQueue.size());

PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是一个没有边界的队列，它的排序规则和java.util.PriorityQueue一样。需要注意，PriorityBlockingQueue中允许插入null对象。所有插入PriorityBlockingQueue的对象必须实现 java.lang.Comparable接口，队列优先级的排序规则就是按照我们对这个接口的实现来定义的。另外，我们可以从PriorityBlockingQueue获得一个迭代器Iterator，但这个迭代器并不保证按照优先级顺序进行迭代。

SynchronousQueue

SynchronousQueue队列内部仅允许容纳一个元素。当一个线程插入一个元素后会被阻塞，除非这个元素被另一个线程消费。

使用BlockingQueue模拟生产者与消费者

class Producer extends Thread{
  private BlockingQueue queue;
  private volatile boolean flag=true;
  private static AtomicInteger count=new AtomicInteger();

  public Producer(BlockingQueue queue){
    this.queue=queue;
  }
  @Override
  public void run() {
    System.out.println(getName()+"生产者线程启动...");
    try {
        while (flag){
            System.out.println(getName()+"生产者开始生产消息...");
            //如果flag为true，queue就入队列。（原子类进行计数）
            Integer i = count.incrementAndGet();
            boolean offer = queue.offer(i);
            if(offer){
                System.out.println(getName()+"生产者生产生产消息:"+i+"成功");
            }else {
                System.out.println(getName()+"生产者生产生产消息:"+i+"失败");
            }
            Thread.sleep(1000);
        }
    }catch (Exception e){

    }finally {
        System.out.println(getName()+"生产者线程停止...");
    }
  }

  public void stopThread(){
    this.flag=false;
  }
}


class Consumer extends Thread{
  private BlockingQueue queue;
  private volatile boolean flag=true;

  public Consumer(BlockingQueue queue){
    this.queue=queue;
  }
  @Override
  public void run() {
    System.out.println(getName()+"消费者线程启动...");
    try {
        while (flag){
            System.out.println(getName()+"消费者开始消费消息...");
            //如果flag为true，queue就出队列
            Integer poll = (Integer) queue.poll(2, TimeUnit.SECONDS);
            if(poll != null){
                System.out.println(getName()+"消费者获取消息："+poll+"成功");
            }else {
                System.out.println(getName()+"消费者获取消息："+poll+"失败");
                this.flag=false;
            }

        }
    }catch (Exception e){

    }finally {
        System.out.println(getName()+"消费者线程停止...");
    }
  }
}

public class ProduceConsumerThread {
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    BlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<Integer>(10);
    Producer p1 =new Producer(queue);
    Producer p2 =new Producer(queue);
    Consumer c1 =new Consumer(queue);

    p1.start();
    p2.start();
    c1.start();

    Thread.sleep(3*1000);
    p1.stopThread();
    p2.stopThread();
  }
}

多线程(四)——Java并发包与并发队列

同步容器类：

Vector与ArrayList区别

HashTable与HashMap

synchronizedMap

ConcurrentHashMap

CountDownLatch

CyclicBarrier

Semaphore

并发队列：

ConcurrentLinkedDeque

BlockingQueue

ArrayBlockingQueue

LinkedBlockingQueue

PriorityBlockingQueue

SynchronousQueue

使用BlockingQueue模拟生产者与消费者

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