本章内容包括:
- 使用非阻塞式线程安全列表
- 使用阻塞式线程安全列表
- 使用按优先级排序的阻塞式线程安全列表
- 使用带有延迟元素的线程安全列表 推荐:该队列马上解决了我在工作中的一个问题
- 使用线程安全可遍历映射
- 生成并发随机数
- 使用原子变量
- 使用原子数组
说道了并发集合,当然就有不适合在并发情况下的集合,例如:ArrayList就是这样一个集合数据结构
Java提供了两类适用于并发场景下的集合:
- 阻塞式集合(Blocking Collection):这类集合包括添加和移除数据的方法,当集合已满或为空时,被调用的添加或者移除方法就不能立即被执行,那么调用这个方法的线程将被阻塞,一直到该方法可以被成功执行。
- 非阻塞式集合(Non-Blocking Collection):这类集合也包括添加和移除数据的方法,只是如果方法不能立即被执行,则返回null或抛出异常,但是调用这个方法的线程不会被阻塞。
Java并发集合:
- 非阻塞式列表:ConcurrentLinkedDeque
- 阻塞式列表:LinkedBlockingDeque
- 用于数据生成活消费的阻塞式列表:LinkedTransferQueue
- 按优先级排序列表元素的阻塞式列表:PriorityBlockingQueue
- 带有延迟列表元素的阻塞式列表:DelayQueue
- 非阻塞式可遍历映射:ConcurrentSkipListMap
- 随机数字:ThreadLocalRandom
- 原子变量:AtomicLong 和 AtomicIntegerArray
一个基于链接节点的无界线程安全队列。此队列按照 FIFO(先进先出)原则对元素进行排序。队列的头部 是队列中时间最长的元素。队列的尾部 是队列中时间最短的元素。新的元素插入到队列的尾部,队列获取操作从队列头部获得元素。当多个线程共享访问一个公共 collection 时,ConcurrentLinkedQueue 是一个恰当的选择。此队列不允许使用 null 元素。
本小节将学习:如何在并发程序中使用非阻塞式列表。非阻塞式列表提供了一些操作,如果被执行的操作不能够立即运行(例如:在列表为空时,从列表取出一个元素)方法会抛出异常活返回null。
- 要注意 size 在并发情况下。是不准确的。
- getFirst 和 getLast : 分别返回列表中第一个和最后一个元素,返回的元素不会从列表中移除。如果列表为空,这两个方法抛出NoSuchElementExcpetion
- peek、peekFirst、peekLast:分别返回列表中第一个和最后一个元素,返回的元素不会从列表中移除。如果列表为空,这些方法返回null
- remove、removeFirst、removeLast:分别返回列表中第一个和最后一个元素,反回的元素将从列表中移除。如果列表为空,这两个方法抛出NoSuchElementExcpetion
示例
场景描述:将用:添加大量的数据到一个列表中、从同一个列表中移除大量的数据。来实现示例
运行结果:
结果说明:
先用100个线程往deque中添加100 0000 个元素。等待线程完成,并打印出元素的个数,随后再用100个线程移除deque中的元素。 值得注意的是 获取列表的大小 在并发情况下是不准确的。因为实时有线程在修改列表
一个基于已链接节点的、任选范围的阻塞双端队列。
可选的容量范围构造方法参数是一种防止过度膨胀的方式。如果未指定容量,那么容量将等于 Integer.MAX_VALUE。只要插入元素不会使双端队列超出容量,每次插入后都将动态地创建链接节点。
并发列表允许不同的线程在同一时间添加活移除列表中的元素,而不会造成数据不一致。
在本节,将学会如何在并发程序中使用阻塞式列表。
阻塞式列表与非阻塞式列表的主要差别是:
- 阻塞式:在插入时,如果列表已满,在删除时,如果列表为空,操作不会被立即执行,而是将调用这个操作的线程阻塞队列直到可以执行成功。(这个说法是范范的。因为此类中有一些方法是可以被阻塞,可以抛出异常的)
- 非阻塞式:在取出一个元素时,如果列表为空,则会返回null或则抛出异常。
该类其他api:
- takeFirst() 和 takeLast() : 分别返回列表中的第一个和最后ige元素,返回的元素不会从列表中移除。如果列表为空,调用方法的线程将被阻塞直到列表中有可用的元素出现。
- getFitst() 和 getLast():分别返回列表中第一个和最后一个元素,返回的元素不会从列表中移除。如果列表为空,则抛出NoSuchElementExcpetion
- peek() 、peekFirst() 和 peekLast():分别返回列表中第一个和最后一个元素,返回的元素不会从列表中删除。如果列表为空,返回null
- poll()、pollFirst() 和 pollLast():分别返回列表中第一个和最后一个元素,返回的元素将会从列表中移除。如果列表为空,返回null
- add()、addFirst() 和 addLast():分别将元素添加到列表中第一位和最后一位。如果列表已满(指定了列表容量),这些方法将抛出IllegalStateException
示例
场景描述:声明了一个有大小的队列列表,在一个线程中不断的写入,每次写入5个,重复3次,在主线程中不断的读取,每次读取3个,重复5次。 就可以看到 阻塞的效果了
某一次的运行结果:
结果说明:
- size不准确,看jdk文档,没有说不是准确的,那么这里出现了不准确的size,那么造成这结果的可能性只能是:main中读,另外一个线程在写,而读size的方法和读元素的方法不是一个原子操作。读的一端和写的一端也不是同步的。所以这里造成了size的错误显
一个无界阻塞队列,它使用与类 PriorityQueue 相同的顺序规则,并且提供了阻塞获取操作。虽然此队列逻辑上是无界的,但是资源被耗尽时试图执行 add 操作也将失败(导致 OutOfMemoryError)。此类不允许使用 null 元素。依赖自然顺序的优先级队列也不允许插入不可比较的对象(这样做会导致抛出 ClassCastException)。
- 存入的队列元素 最终结果不是有序的
- 取出的时候才会取出最小的。
示例
场景描述:好把,下面的示例其实我觉得没有什么必要。无非就是说,这个PriorityBlockingQueue是一个可以自动排序的无界队列。把元素放进去,然后取出来看看是否排序了。
某一次的运行结果:
结果说明:
- 存入的队列元素 最终结果不是有序的
- 取出的时候才会取出最小的。
Delayed 元素的一个无界阻塞队列,只有在延迟期满时才能从中提取元素。该队列的头部 是延迟期满后保存时间最长的 Delayed 元素。如果延迟都还没有期满,则队列没有头部,并且 poll 将返回 null。当一个元素的 getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) 方法返回一个小于等于 0 的值时,将发生到期。即使无法使用 take 或 poll 移除未到期的元素,也不会将这些元素作为正常元素对待。例如,size 方法同时返回到期和未到期元素的计数。此队列不允许使用 null 元素。
本小节将学会一种非常有趣的数据队列,DelayQueue 延迟效果的队列;根据jdk中的描述。是否延迟 是根据compareTo 返回的结果来判定的。 有这样一个场景:在微信公众号开发中,基础支持的accessToken是2个小时超时,那么我就可以把这个accessToken 设置一个超时的时间,放到这个队列中。然后用一个线程去遍历take()出这个元素然后将其更新即可,因为,take() 会一直阻塞直到有可用元素出现在头部。
要达到这个效果,必须让进入队列的 元素 实现Delayed并覆盖以下两个方法:
- getDelay() : 返回与此对象相关的剩余延迟时间,以给定的时间单位表示。该方法是在 compareTo中调用的。 所以要以 compareTo 中调用的时候传入的时间单位 来计算剩余的延迟时间。
- compareTo() : 队列会根据此方法来获取超时的元素
DelayQueue的其他Api
- clear() 自动移除此延迟队列的所有元素。
- offer(E e) 将指定元素插入此延迟队列。
- peek() 获取但不移除此队列的头部;如果此队列为空,则返回 null。
- take() 获取并移除此队列的头部,在可从此队列获得到期延迟的元素之前一直等待(如有必要)。
示例
场景描述:以下示例,在几个线程中,添加未来超时的event对象到DelayQueue队列中,然后在主任务取出到期或则超时的元素。 非常有趣的一个队列:我马上就想到了一个使用场景:在微信公众号开发中,有一个token超时时间是2个小时。就可以使用该队列来处理这类似的场景了。而不需要再一直循环的调用判断是否超时了
某一次的运行结果:
结果说明:
1. 先看任务的超时时间。
2. 再看现在的时间,和 开始时间,你会发现现在的时间和开始时间一样的,这个是正确的,因为你设定的该对象取出的开始时间(也就是超时时间 和 现在时间一致,或则大于现在时间),该元素才能被取出来
3. 我故意在设置开始时间的时候 把每次任务的间隔时间拉得很开,就是为了让你看到 在控制台上 有一个 阻塞停顿等待超时的效果。
可缩放的并发 ConcurrentNavigableMap 实现。映射可以根据键的自然顺序进行排序,也可以根据创建映射时所提供的 Comparator 进行排序,具体取决于使用的构造方法。
此类实现 SkipLists 的并发变体,为 containsKey、get、put、remove 操作及其变体提供预期平均 log(n) 时间开销。多个线程可以安全地并发执行插入、移除、更新和访问操作。迭代器是弱一致 的,返回的元素将反映迭代器创建时或创建后某一时刻的映射状态。它们不 抛出 ConcurrentModificationException,可以并发处理其他操作。升序键排序视图及其迭代器比降序键排序视图及其迭代器更快。
SkipList: 是基于并发列表的数据结构,效率与二叉树相近。
插入数据的时候,会根据键的自然顺序进行排序
本章节将学会如何使用 实现对联系人对象的映射。
ConcurrentSkipListMap的其他API:
- headMap(K toKey):返回映射中所有键值小于参数k的子集
- tailMap(K fromKey):返回映射中所有键值大于fromkey的子集
- putIfAbsent(K key,V value):如果映射中不存在键key,那么就将key 和 value添加到map中。
- pollLastEntry():返回并移除最后一个Map.Entry对象。
- replace(K key,V value):如果映射中已经存在key,则用参数中的value替换掉。
示例
场景描述:以下示例做的事情就是,在一个线程中不断的写入联系人信息。在主线程中异步的读取自然顺序最大和最小的元素,还有根据key的规律取一个子集。
某一次的运行结果:
结果说明:
- 休眠一号码后,map中已经存在有3个元素了,取出了最小的一个元素信息
- 取最大元素的时候,任务已经执行完成了。我们只添加了30个信息。
- 取子集的时候。使用了pollFirstEntry来遍历子集,获得并删除元素。所以最后map的size比遍历前少了。
jdk中说,这种新的多线程随机数生成器,在多线程环境下比random拥有更好的性能。但从示例看出来的好处是:
- 感觉就像是threadLocal使用一样,使用静态方法就能取得实例。
- 在主线程中启动的多个线程也算共享一个变量咯?
ps:源码看不太懂。也没有去深究。所以不知道怎么说。
示例
运行结果
结果说明:
可以看到。几个线程全部共享的一个生成器实例。也不用构造去注入共享随机数生成器了
书上一大段的描述总结下来如下:
什么是原子变量?
在java中声明一个普通变量 int i=1; i 就是一个变量,在多线程中对这个i并发操作,那么就会出现数据竞争,而原子变量就是jdk5引进的一种机制,在多线程中对这个原子变量进行并发操作。不会出现错误的数据。
在java中,原子变量使用CAS(CAS:Compare and Swap, 翻译成比较并交换。)来进行原子操作。
什么是CAS?
cas就是借助C来调用CPU底层指令实现的,使用禁止重排序,锁定总线事务,使用缓存锁保证原子性等来让 一个线程在操作这个原子变量的时候,其他线程不能访问主内存,等待上一个线程操作完成之后把改变的值刷新到主内存中为止,可以想象成 一个锁,不过是cpu指令级别的。
参考cas说明: ,我感觉说得很好,和 java内存模型中提到的一些符合。
原子变量还有其他的:AtomicInteger、AtomicBoolean、AtomicReference
示例
场景描述:以下示例就是演示,普通变量 和 原子变量,不使用任何同步手段,看他们在并发下的一个累加值。
至于其他的 示例 银行加减款,和这个类似,当然该类还有其他的一些api。jdk6有中文,使用比较简单。就不写了
运行结果:
结果说明:
- 都使用了3个线程累加,期望的值应该为3,但是普通变量明显的是错误的
顾名思义,原子数组语义上应该和原子变量类似,只是变成了数组。同样也是使用的cas操作来保证内存一致性;
CAS三步:
- 取得变量值,即旧值
- 在本地内存中修改这个变量的值。即新值
- 如果旧值与本地变量相等,则用新值替换掉旧值,然后刷新到主内存中。
要记得cas 会使用锁住总线事务等来保证原子操作。
示例
场景描述:以下示例就是讲:两个线程,一个线程把线程把每个元素都增加1,一个线程把每个线程都减少1.然后查看是否有 没有被剪掉的值;
对于下面的操作,我其实很好奇,这个类 怎么知道我要在加1的基础上剪掉1的呢? 换个说法就是。在并发运行的类。他们两个不会向普通变量哪样会读取到同一个内存副本,然后就造成数据错误了。 能说得过去是因为cas操作。但是具体cas 是怎么来实现的呢,cas 通过内存屏障,cpu指令等来实现,这些也都是只是 干货。对于自己的理解还是不知道。 好烦。