java并发编程之四

java并发框架之容器

ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap比HashTable高效。HashTable的get方法和put使用同一把锁，使用的是synchronized同

步方法。这样导致在别的线程访问put方法时，访问get方法的线程也会阻塞。而ConcurrentHashMap的get方

法是不用加锁的。get是没有put那么大风险的，get只需保证读入的值是最新即可，定义成volatile的变量，能

够在线程之间保持可见性，能够被多线程同时读，并且保证不会读到过期的值，但是只能被单线程写（有一种

情况可以被多线程写，就是写入的值不依赖于原值），在get操作里只需要读不需要写共享变量count和value，

所以可以不用加锁。之所以不会读到过期的值，是因为根据Java内存模型的happen before原则，对volatile字

段的写入操作先于读操作，即使两个线程同时修改和获取volatile变量，get操作也能拿到最新的值，这是用

volatile替换锁的经典应用场景。

ConcurrentLinkedQueue（非阻塞式并发容器）

在并发编程中，有时候需要使用线程安全的队列。如果要实现一个线程安全的队列有两种方式：一种是使用

阻塞算法，另一种是使用非阻塞算法。使用阻塞算法的队列可以用一个锁（入队和出队用同一把锁）或两个

锁（入队和出队用不同的锁）等方式来实现。非阻塞的实现方式则可以使用循环CAS的方式来实现（这叫自

旋）。而ConcurrentLinkedQueue就是使用非阻塞方式实现的，是一个基于链接节

点的无界线程安全队列。

非阻塞实现的吞吐量更大，但是消耗cpu资源，个人认为在多核的处理器中，效果更为明显，因为如果是单核

的处理器，该线程的自旋是做无用功，还不如早点放弃cpu，因为只有放弃了cpu，持有锁的线程才有机会执

行，才会早点让出锁。而在多核时，该线程在连续自旋中可能可以获得锁如果持有锁的线程在另一个核中运行

的话，就省去入队，出队，唤醒的耗时过程。注意 ，其入队方法永远返回true，所以不要通过返回值判断入队

是否成功。

阻塞队列：

注意阻塞队列和阻塞式实现的并发容器的区别。后者是指在无法获取锁时的反应，就无法获取锁是时不断循环去

判断并尝试获取，而不是尝试一次失败后就使线程进入阻塞状态。前者是一个支持两个附加操作的队列。这两个

附加的操作支持阻塞的插入和移除方法。
1）支持阻塞的插入方法：意思是当队列满时，队列会阻塞插入元素的线程，直到队列不
满。
2）支持阻塞的移除方法：意思是在队列为空时，获取元素的线程会等待队列变为非空。

当然阻塞队列也支持并发队列的插入和移除方法。

在阻塞队列不可用时，这两个附加操作提供了4种处理方式，如表6-1所示。

·抛出异常：当队列满时，如果再往队列里插入元素，会抛出IllegalStateException（"Queuefull"）异常。当队

列空时，从队列里获取元素会抛出NoSuchElementException异常。

·返回特殊值：当往队列插入元素时，会返回元素是否插入成功，成功返回true。如果是移除方法，则是从队

列里取出一个元素，如果没有则返回null。

·一直阻塞：当阻塞队列满时，如果生产者线程往队列里put元素，队列会一直阻塞生产者线程，直到队列可用

或者响应中断退出。当队列空时，如果消费者线程从队列里take元素，队列会阻塞住消费者线程，直到队列不

为空。

·超时退出：当阻塞队列满时，如果生产者线程往队列里插入元素，队列会阻塞生产者线程一段时间，如果超

过了指定的时间，生产者线程就会退出。

注意 如果是无界阻塞队列，队列不可能会出现满的情况，所以使用put或offer方法永远不会被阻塞，而且使用

offer方法时，该方法永远返回true。

JDK 7提供了7个阻塞队列，如下。
·ArrayBlockingQueue：一个由数组结构组成的有界阻塞队列。

·LinkedBlockingQueue：一个由链表结构组成的有界阻塞队列。

·PriorityBlockingQueue：一个支持优先级排序的无界阻塞队列。

·DelayQueue：一个使用优先级队列实现的无界阻塞队列。

·SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列。

·LinkedTransferQueue：一个由链表结构组成的无界阻塞队列。

·LinkedBlockingDeque：一个由链表结构组成的双向阻塞队列

1.ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue是一个用数组实现的有界阻塞队列。此队列按照先进先出（FIFO）的原则对元素进行排序

默认情况下不保证线程公平的访问队列，所谓公平访问队列是指阻塞的线程，可以按照阻塞的先后顺序访问队

列，即先阻塞线程先访问队列。为了保证公平性，通常会降低吞吐量。

2.LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue是一个用链表实现的有界阻塞队列。此队列的默认和最大长度为Integer.MAX_VALUE。

此队列按照先进先出的原则对元素进行排序。

3.PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是一个支持优先级的无界阻塞队列。默认情况下元素采取自然顺序升序排列。也可以

自定义类实现compareTo()方法来指定元素排序规则，或者初始化PriorityBlockingQueue时，指定构造参数

Comparator来对元素进行排序。需要注意的是不能保证同优先级元素的顺序。

4.DelayQueue

DelayQueue是一个支持延时获取元素的无界阻塞队列。队列使用PriorityQueue来实现。队列中的元素必须

实现Delayed接口，在创建元素时可以指定多久才能从队列中获取当前元素。只有在延迟期满时才能从队列

中提取元素。DelayQueue非常有用，可以将DelayQueue运用在以下应用场景。

·缓存系统的设计：可以用DelayQueue保存缓存元素的有效期，使用一个线程循环查询
DelayQueue，一旦能从DelayQueue中获取元素时，表示缓存有效期到了。
·定时任务调度：使用DelayQueue保存当天将会执行的任务和执行时间，一旦从
DelayQueue中获取到任务就开始执行，比如TimerQueue就是使用DelayQueue实现的。

5.SynchronousQueue
SynchronousQueue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。

它支持公平访问队列。默认情况下线程采用非公平性策略访问队列。使用以下构造方法可以创建公平性访问

的SynchronousQueue，如果设置为true，则等待的线程会采用先进先出的顺序访问队列。

SynchronousQueue可以看成是一个传球手，负责把生产者线程处理的数据直接传递给消费者线程。队列本

身并不存储任何元素，非常适合传递性场景。SynchronousQueue的吞吐量高于LinkedBlockingQueue和

ArrayBlockingQueue。

个人认为，这个吞吐量是在生产和消费在时间上较均匀交叉进行的结果。如果在一些不均匀地情况下，会造

成生产者排长队，而是生产者线程无法继续工作。所以使用该队列需按实际情况，不能只看吞吐量。所以上

面也说了，适合传递性的场合，就是刚好一个传过来，此时一个马上接过去的场合，省下了元素入队出队的

时间和空间，而在传递性场合，使用一般的BlockingQueue，也是每次取或者传入都需要做一次唤醒操作，

因为是阻塞队列，队列空时，取的时候需要阻塞。所以相比SynchronousQueue，BlockingQueue还多了一次

出队入队的时间。

6.LinkedTransferQueue

LinkedTransferQueue是一个由链表结构组成的无界阻塞TransferQueue队列。相对于其他阻塞队列，

LinkedTransferQueue多了tryTransfer和transfer方法。
（1）transfer方法
如果当前有消费者正在等待接收元素（消费者使用take()方法或带时间限制的poll()方法时），transfer方法可

以把生产者传入的元素立刻transfer（传输）给消费者。如果没有消费者在等待接收元素，transfer方法会将

元素存放在队列的tail节点，并等到该元素被消费者消费了才返回。

（2）tryTransfer方法
tryTransfer方法是用来试探生产者传入的元素是否能直接传给消费者。如果没有消费者等待接收元素，则返

回false。和transfer方法的区别是tryTransfer方法无论消费者是否接收，方法立即返回，而transfer方法是必

须等到消费者消费了才返回。此方法会自旋试探几次，才会放弃并返回。

7.LinkedBlockingDeque

LinkedBlockingDeque是一个由链表结构组成的双向阻塞队列。所谓双向队列指的是可以从队列的两端插入和

移出元素。双向队列因为多了一个操作队列的入口，在多线程同时入队时，也就减少了一半的竞争。相比其

他的阻塞队列，LinkedBlockingDeque多了addFirst、addLast、offerFirst、offerLast、peekFirst和peekLast

等方法，以First单词结尾的方法，表示插入、获取（peek）或移除双端队列的第一个元素。以Last单词结尾

的方法，表示插入、获取或移除双端队列的最后一个元素。另外，插入方法add等同于addLast，移除方法

remove等效于removeFirst。但是take方法却等同于takeFirst，不知道是不是JDK的bug，使用时还是用带有

First和Last后缀的方法更清楚。

在初始化LinkedBlockingDeque时可以设置容量防止其过度膨胀。另外，双向阻塞队列可以运用在“工作窃取”

模式中。

阻塞队列的实现原理

使用通知模式实现。所谓通知模式，就是当生产者往满的队列里添加元素时会阻塞住生产者，当消费者消费

了一个队列中的元素后，会通知生产者当前队列可用。

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