java并发编程-并发容器

深碍√TFBOYSˉ_ 2022-02-16 01:06 413阅读 0赞

# 1.ConcurrentHashMap #

**使用hashMap**： 引起死循环， CPU 利用率会达到百分之百。 因为hashmap 在多线程下使用的时候， 没有做线程安全的控制， 会使其中的entry链表形成一个环形的数据结构， entry 的next 节点永不为空， 进入死循环

**HashTable**使用synchronized来保证线程安全，但在线程竞争激烈的情况下HashTable的效率非常低下。因为当一个线程访问HashTable的同步方法，其他线程也访问HashTable的同步方法时，会进入阻塞或轮询状态。如线程1使用put进行元素添加，线程2不但不能使用put方法添加元素，也不能使用get方法来获取元素，所以竞争越激烈效率越低。

**putIfAbsent()** ：没有这个值则放入map，有这个值则返回key本来对应的值。

类似以下功能  
synchronized\{  
if(map.get(key)==null)\{  
map.put(key, value)  
\}else\{  
map.get(key)  
\}  
\}

**什么是hash:**  
散列，哈希：把任意长度的输入通过一种算法（散列），变换成为固定长度的输出，这个输出值就是散列值。属于压缩映射，容易产生哈希冲突。Hash算法有直接取余法等。  
产生哈希冲突时解决办法：开放寻址；2、再散列；3、链地址法（相同hash值的元素用链表串起来）。  
ConcurrentHashMap在发生hash冲突时采用了链地址法。  
md4,md5,sha-hash算法也属于hash算法，又称摘要算法。

**位运算(int类型的位)**  
![在这里插入图片描述][20190421115814745.png]  
2的0次方 = 1，2的1次方=2…….，以上表格代表数字 （2的5次方+2的3次方）= 40  
由上面的表格可以看出，数字类型在数字渐渐变大时，是由低位慢慢向高位扩展的。

Java实际保存int型时 正数 第31位 =0 负数：第31位=1  
常用位运算有：  
 位与 & (1&1=1 1&0=0 0&0=0)  
 位或 | (1|1=1 1|0=1 0|0=0)  
 位非 ~ （ ~1=0 ~0=1）  
 位异或 ^ (1^1=0 1^0=1 0^0=0)  
 <<有符号左移 >>有符号的右移 >>>无符号右移 例如：8 << 2 = 32 8>>2 = 2  
 取模的操作 a % (Math.pow(2,n)) 等价于 a&( Math.pow(2,n)-1)  
位运算适用：权限控制，物品的属性非常多时的保存

## **ConcurrentHashMap 如何实现线程安全的** ##

**JDK 1.7 :ConcurrentHashMap中的数据结构**

ConcurrentHashMap是由Segment数组结构和HashEntry数组结构组成。Segment实际继承自可重入锁（ReentrantLock），在ConcurrentHashMap里扮演锁的角色；HashEntry则用于存储键值对数据。一个ConcurrentHashMap里包含一个Segment数组，每个Segment里包含一个HashEntry数组，我们称之为table，每个HashEntry是一个链表结构的元素。  
![在这里插入图片描述][20190421120105337.png]  
面试常问：  
1、 ConcurrentHashMap实现原理是怎么样的或者问ConcurrentHashMap如何在保证高并发下线程安全的同时实现了性能提升？  
答：ConcurrentHashMap允许多个修改操作并发进行，其关键在于使用了锁分离技术。它使用了多个锁来控制对hash表的不同部分进行的修改。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hash table，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。

初始化做了什么事？

**JDK 1.8**

与1.7相比的重大变化  
1、 取消了segment数组，直接用table保存数据，锁的粒度更小，减少并发冲突的概率。  
2、 存储数据时采用了链表+红黑树的形式，纯链表的形式时间复杂度为O(n)，红黑树则为O（logn），性能提升很大。什么时候链表转红黑树？当key值相等的元素形成的链表中元素个数超过8个的时候。

主要数据结构和关键变量  
Node类存放实际的key和value值。  
sizeCtl：  
负数：表示进行初始化或者扩容,-1表示正在初始化，-N，表示有N-1个线程正在进行扩容  
正数：0 表示还没有被初始化，>0的数，初始化或者是下一次进行扩容的阈值  
TreeNode 用在红黑树，表示树的节点, TreeBin是实际放在table数组中的，代表了这个红黑树的根。

## 更多的并发容器 ##

**ConcurrentSkipListMap 和 ConcurrentSkipListSet**  
TreeMap和TreeSet有序的容器，这两种容器的并发版本

**跳表**  
SkipList，以空间换时间，在原链表的基础上形成多层索引，但是某个节点在插入时，是否成为索引，随机决定，所以跳表又称为概率数据结构。

**ConcurrentLinkedQueue**

无界非阻塞队列，底层是个链表，遵循先进先出原则。  
add,offer将元素插入到尾部，peek（拿头部的数据，但是不移除）和poll（拿头部的数据，但是移除）

**CopyOnWriteArrayList 写时复制容器**  
写时复制的容器。通俗的理解是当我们往一个容器添加元素的时候，不直接往当前容器添加，而是先将当前容器进行Copy，复制出一个新的容器，然后新的容器里添加元素，添加完元素之后，再将原容器的引用指向新的容器。这样做的好处是我们可以对容器进行并发的读，而不需要加锁，因为当前容器不会添加任何元素。所以写时复制容器也是一种读写分离的思想，读和写不同的容器。如果读的时候有多个线程正在向容器添加数据，读还是会读到旧的数据，因为写的时候不会锁住旧的，只能保证最终一致性。  
适用读多写少的并发场景，常见应用：白名单/黑名单， 商品类目的访问和更新场景。  
存在内存占用问题。

## 阻塞队列 ##

**概念、生产者消费者模式**  
1)当队列满的时候，插入元素的线程被阻塞，直达队列不满。  
2)队列为空的时候，获取元素的线程被阻塞，直到队列不空。

**生产者和消费者模式**  
生产者就是生产数据的线程，消费者就是消费数据的线程。在多线程开发中，如果生产者处理速度很快，而消费者处理速度很慢，那么生产者就必须等待消费者处理完，才能继续生产数据。同样的道理，如果消费者的处理能力大于生产者，那么消费者就必须等待生产者。为了解决这种生产消费能力不均衡的问题，便有了生产者和消费者模式。生产者和消费者模式是通过一个容器来解决生产者和消费者的强耦合问题。生产者和消费者彼此之间不直接通信，而是通过阻塞队列来进行通信，所以生产者生产完数据之后不用等待消费者处理，直接扔给阻塞队列，消费者不找生产者要数据，而是直接从阻塞队列里取，阻塞队列就相当于一个缓冲区，平衡了生产者和消费者的处理能力。

**常用方法**  
![在这里插入图片描述][20190421121219937.png]

 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。

**常用阻塞队列**  
1.ArrayBlockingQueue：一个由数组结构组成的有界阻塞队列。  
按照先进先出原则，要求设定初始大小  
2.LinkedBlockingQueue：一个由链表结构组成的有界阻塞队列。  
按照先进先出原则，可以不设定初始大小，Integer.Max\_Value

ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue不同：  
 锁上面：ArrayBlockingQueue只有一个锁，LinkedBlockingQueue用了两个锁，  
 实现上：ArrayBlockingQueue直接插入元素，LinkedBlockingQueue需要转换。

3。PriorityBlockingQueue：一个支持优先级排序的无界阻塞队列。  
默认情况下，按照自然顺序，要么实现compareTo()方法，指定构造参数Comparator  
4.DelayQueue：一个使用优先级队列实现的无界阻塞队列。  
支持延时获取的元素的阻塞队列，元素必须要实现Delayed接口。适用场景：实现自己的缓存系统，订单到期，限时支付等等。  
5.SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列。每一个put操作都要等待一个take操作

6.LinkedTransferQueue：一个由链表结构组成的无界阻塞队列。  
transfer()，必须要消费者消费了以后方法才会返回，tryTransfer()无论消费者是否接收，方法都立即返回。  
7.LinkedBlockingDeque：一个由链表结构组成的双向阻塞队列。  
可以从队列的头和尾都可以插入和移除元素，实现工作密取，方法名带了First对头部操作，带了last从尾部操作，另外：add=addLast; remove=removeFirst; take=takeFirst

阻塞队列的实现原理

比如，ArrayBlockingQueue就是基于Lock和Condition实现的。

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