java Collectors 并发list java并发集合类

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mob64ca140beea5 2023-12-18 21:44:45

JUC中的集合类

下面，我们先了解JUC包中集合类的框架；为了方便讲诉，我将JUC包中的集合类划分为3部分来进行说明。在简单的了解JUC包中集合类的框架之后，后面的章节再逐步对各个类进行介绍。

1. List和Set

JUC集合包中的List和Set实现类包括: CopyOnWriteArrayList, CopyOnWriteArraySet和ConcurrentSkipListSet。ConcurrentSkipListSet稍后在说明Map时再说明，CopyOnWriteArrayList 和 CopyOnWriteArraySet的框架如下图所示：

java Collectors 并发list java并发集合类_数组

(01) CopyOnWriteArrayList相当于线程安全的ArrayList，它实现了List接口。CopyOnWriteArrayList是支持高并发的。
(02) CopyOnWriteArraySet相当于线程安全的HashSet，它继承于AbstractSet类。CopyOnWriteArraySet内部包含一个CopyOnWriteArrayList对象，它是通过CopyOnWriteArrayList实现的。

2. Map

JUC集合包中Map的实现类包括: ConcurrentHashMap和ConcurrentSkipListMap。它们的框架如下图所示：

java Collectors 并发list java并发集合类_数据_02

(01) ConcurrentHashMap是线程安全的哈希表(相当于线程安全的HashMap)；它继承于AbstractMap类，并且实现ConcurrentMap接口。ConcurrentHashMap是通过“锁分段”来实现的，它支持并发。
(02) ConcurrentSkipListMap是线程安全的有序的哈希表(相当于线程安全的TreeMap); 它继承于AbstractMap类，并且实现ConcurrentNavigableMap接口。ConcurrentSkipListMap是通过“跳表”来实现的，它支持并发。
(03) ConcurrentSkipListSet是线程安全的有序的集合(相当于线程安全的TreeSet)；它继承于AbstractSet，并实现了NavigableSet接口。ConcurrentSkipListSet是通过ConcurrentSkipListMap实现的，它也支持并发。

3. Queue

JUC集合包中Queue的实现类包括: ArrayBlockingQueue, LinkedBlockingQueue, LinkedBlockingDeque, ConcurrentLinkedQueue和ConcurrentLinkedDeque。它们的框架如下图所示：

java Collectors 并发list java并发集合类_线程安全_03

(01) ArrayBlockingQueue是数组实现的线程安全的有界的阻塞队列。
(02) LinkedBlockingQueue是单向链表实现的(指定大小)阻塞队列，该队列按 FIFO（先进先出）排序元素。
(03) LinkedBlockingDeque是双向链表实现的(指定大小)双向并发阻塞队列，该阻塞队列同时支持FIFO和FILO两种操作方式。
(04) ConcurrentLinkedQueue是单向链表实现的无界队列，该队列按 FIFO（先进先出）排序元素。
(05) ConcurrentLinkedDeque是双向链表实现的无界队列，该队列同时支持FIFO和FILO两种操作方式。

02之 CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList原理和数据结构

CopyOnWriteArrayList的数据结构，如下图所示：

java Collectors 并发list java并发集合类_线程安全_04

说明：
1. CopyOnWriteArrayList实现了List接口，因此它是一个队列。
2. CopyOnWriteArrayList包含了成员lock。每一个CopyOnWriteArrayList都和一个互斥锁lock绑定，通过lock，实现了对CopyOnWriteArrayList的互斥访问。
3. CopyOnWriteArrayList包含了成员array数组，这说明CopyOnWriteArrayList本质上通过数组实现的。

下面从“动态数组”和“线程安全”两个方面进一步对CopyOnWriteArrayList的原理进行说明。
1. CopyOnWriteArrayList的“动态数组”机制 -- 它内部有个“volatile数组”(array)来保持数据。在“添加/修改/删除”数据时，都会新建一个数组，并将更新后的数据拷贝到新建的数组中，最后再将该数组赋值给“volatile数组”。这就是它叫做CopyOnWriteArrayList的原因！CopyOnWriteArrayList就是通过这种方式实现的动态数组；不过正由于它在“添加/修改/删除”数据时，都会新建数组，所以涉及到修改数据的操作，CopyOnWriteArrayList效率很
低；但是单单只是进行遍历查找的话，效率比较高。
2. CopyOnWriteArrayList的“线程安全”机制 -- 是通过volatile和互斥锁来实现的。(01) CopyOnWriteArrayList是通过“volatile数组”来保存数据的。一个线程读取volatile数组时，总能看到其它线程对该volatile变量最后的写入；就这样，通过volatile提供了“读取到的数据总是最新的”这个机制的
保证。(02) CopyOnWriteArrayList通过互斥锁来保护数据。在“添加/修改/删除”数据时，会先“获取互斥锁”，再修改完毕之后，先将数据更新到“volatile数组”中，然后再“释放互斥锁”；这样，就达到了保护数据的目的。

下面我们从“创建，添加，删除，获取，遍历”这5个方面去分析CopyOnWriteArrayList的原理。

1. 创建

CopyOnWriteArrayList共3个构造函数。它们的源码如下：

public CopyOnWriteArrayList() {
    setArray(new Object[0]);
}

public CopyOnWriteArrayList(Collection<? extends E> c) {
    Object[] elements = c.toArray();
    if (elements.getClass() != Object[].class)
        elements = Arrays.copyOf(elements, elements.length, Object[].class);
    setArray(elements);
}

public CopyOnWriteArrayList(E[] toCopyIn) {
    setArray(Arrays.copyOf(toCopyIn, toCopyIn.length, Object[].class));
}

说明：这3个构造函数都调用了setArray()，setArray()的源码如下：

private volatile transient Object[] array;

final Object[] getArray() {
    return array;
}

final void setArray(Object[] a) {
    array = a;
}

说明：setArray()的作用是给array赋值；其中，array是volatile transient Object[]类型，即array是“volatile数组”。
关于volatile关键字，我们知道“volatile能让变量变得可见”，即对一个volatile变量的读，总是能看到（任意线程）对这个volatile变量最后的写入。正在由于这种特性，每次更新了“volatile数组”之后，其它线程都能看到对它所做的更新。
关于transient关键字，它是在序列化中才起作用，transient变量不会被自动序列化。transient不是本文关注的重点，了解即可。
关于transient的更多内容，请参考：

2. 添加

以add(E e)为例，来对“CopyOnWriteArrayList的添加操作”进行说明。下面是add(E e)的代码：

public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 获取“锁”
    lock.lock();
    try {
        // 获取原始”volatile数组“中的数据和数据长度。
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        // 新建一个数组newElements，并将原始数据拷贝到newElements中；
        // newElements数组的长度=“原始数组的长度”+1
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        // 将“新增加的元素”保存到newElements中。
        newElements[len] = e;
        // 将newElements赋值给”volatile数组“。
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        // 释放“锁”
        lock.unlock();
    }
}

说明：add(E e)的作用就是将数据e添加到”volatile数组“中。它的实现方式是，新建一个数组，接着将原始的”volatile数组“的数据拷贝到新数组中，然后将新增数据也添加到新数组中；最后，将新数组赋值给”volatile数组“。
在add(E e)中有两点需要关注。
第一，在”添加操作“开始前，获取独占锁(lock)，若此时有需要线程要获取锁，则必须等待；在操作完毕后，释放独占锁(lock)，此时其它线程才能获取锁。通过独占锁，来防止多线程同时修改数据！lock的定义如下：

transient final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

关于ReentrantLock的更多内容，可以参考：Java多线程系列--“JUC锁”02之互斥锁ReentrantLock 第二，操作完毕时，会通过setArray()来更新”volatile数组“。而且，前面我们提过”即对一个volatile变量的读，总是能看到（任意线程）对这个volatile变量最后的写入“；这样，每次添加元素之后，其它线程都能看到新添加的元素。

3. 获取

以get(int index)为例，来对“CopyOnWriteArrayList的删除操作”进行说明。下面是get(int index)的代码：

public E get(int index) {
    return get(getArray(), index);
}

private E get(Object[] a, int index) {
    return (E) a[index];
}

说明：get(int index)的实现很简单，就是返回”volatile数组“中的第index个元素。

4. 删除

以remove(int index)为例，来对“CopyOnWriteArrayList的删除操作”进行说明。下面是remove(int index)的代码：

public E remove(int index) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 获取“锁”
    lock.lock();
    try {
        // 获取原始”volatile数组“中的数据和数据长度。
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        // 获取elements数组中的第index个数据。
        E oldValue = get(elements, index);
        int numMoved = len - index - 1;
        // 如果被删除的是最后一个元素，则直接通过Arrays.copyOf()进行处理，而不需要新建数组。
        // 否则，新建数组，然后将”volatile数组中被删除元素之外的其它元素“拷贝到新数组中；最后，将新数组赋值给”volatile数组“。
        if (numMoved == 0)
            setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
        else {
            Object[] newElements = new Object[len - 1];
            System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
            System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
                             numMoved);
            setArray(newElements);
        }
        return oldValue;
    } finally {
        // 释放“锁”
        lock.unlock();
    }
}

说明：remove(int index)的作用就是将”volatile数组“中第index个元素删除。它的实现方式是，如果被删除的是最后一个元素，则直接通过Arrays.copyOf()进行处理，而不需要新建数组。否则，新建数组，然后将”volatile数组中被删除元素之外的其它元素“拷贝到新数组中；最后，将新数组赋值给”volatile数组“。
和add(E e)一样，remove(int index)也是”在操作之前，获取独占锁；操作完成之后，释放独占是“；并且”在操作完成时，会通过将数据更新到volatile数组中“。

5. 遍历

以iterator()为例，来对“CopyOnWriteArrayList的遍历操作”进行说明。下面是iterator()的代码：

public Iterator<E> iterator() {
    return new COWIterator<E>(getArray(), 0);
}

说明：iterator()会返回COWIterator对象。

COWIterator实现额ListIterator接口，它的源码如下：

private static class COWIterator<E> implements ListIterator<E> {
    private final Object[] snapshot;
    private int cursor;

    private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) {
        cursor = initialCursor;
        snapshot = elements;
    }

    public boolean hasNext() {
        return cursor < snapshot.length;
    }

    public boolean hasPrevious() {
        return cursor > 0;
    }

    // 获取下一个元素
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public E next() {
        if (! hasNext())
            throw new NoSuchElementException();
        return (E) snapshot[cursor++];
    }

    // 获取上一个元素
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public E previous() {
        if (! hasPrevious())
            throw new NoSuchElementException();
        return (E) snapshot[--cursor];
    }

    public int nextIndex() {
        return cursor;
    }

    public int previousIndex() {
        return cursor-1;
    }

    public void remove() {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    public void set(E e) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    public void add(E e) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
}

说明：COWIterator不支持修改元素的操作。例如，对于remove(),set(),add()等操作，COWIterator都会抛出异常！
另外，需要提到的一点是，CopyOnWriteArrayList返回迭代器不会抛出ConcurrentModificationException异常，即它不是fail-fast机制的！
关于fail-fast机制，可以参考“Java 集合系列04之 fail-fast总结(通过ArrayList来说明fail-fast的原理、解决办法)”。

总结：

1. CopyOnWriteArrayList的“动态数组”机制 -- 它内部有个“volatile数组”(array)来保持数据。在“添加/修改/删除”数据时，都会新建一个数组，并将更新后的数据拷贝到新建的数组中，最后再将该数组赋值给“volatile数组”。这就是它叫做CopyOnWriteArrayList的原因！CopyOnWriteArrayList就是通过这种方式实现的动态数组；不过正由于它在“添加/修改/删除”数据时，都会新建数组，所以涉及到修改数据的操作，CopyOnWriteArrayList效率很
低；但是单单只是进行遍历查找的话，效率比较高。
2. CopyOnWriteArrayList的“线程安全”机制 -- 是通过volatile和互斥锁来实现的。(01) CopyOnWriteArrayList是通过“volatile数组”来保存数据的。一个线程读取volatile数组时，总能看到其它线程对该volatile变量最后的写入；就这样，通过volatile提供了“读取到的数据总是最新的”这个机制的
保证。(02) CopyOnWriteArrayList通过互斥锁来保护数据。在“添加/修改/删除”数据时，会先“获取互斥锁”，再修改完毕之后，先将数据更新到“volatile数组”中，然后再“释放互斥锁”；这样，就达到了保护数据的目的。

03之 CopyOnWriteArraySet

CopyOnWriteArraySet原理和数据结构

CopyOnWriteArraySet的数据结构，如下图所示：

java Collectors 并发list java并发集合类_数据_05

说明：
1. CopyOnWriteArraySet继承于AbstractSet，这就意味着它是一个集合。
2. CopyOnWriteArraySet包含CopyOnWriteArrayList对象，它是通过CopyOnWriteArrayList实现的。而CopyOnWriteArrayList本质是个动态数组队列，
所以CopyOnWriteArraySet相当于通过通过动态数组实现的“集合”！ CopyOnWriteArrayList中允许有重复的元素；但是，CopyOnWriteArraySet是一个集合，所以它不能有重复集合。因此，CopyOnWriteArrayList额外提供了addIfAbsent()和addAllAbsent()这两个添加元素的API，通过这些API来添加元素时，只有当元素不存在时才执行添加操作！
至于CopyOnWriteArraySet的“线程安全”机制，和CopyOnWriteArrayList一样，是通过volatile和互斥锁来实现的。这个在前一章节介绍CopyOnWriteArrayList时数据结构时，已经进行了说明，这里就不再重复叙述了。

04之 ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap介绍

ConcurrentHashMap是线程安全的哈希表。HashMap, Hashtable, ConcurrentHashMap之间的关联如下：

　　HashMap是非线程安全的哈希表，常用于单线程程序中。

　　Hashtable是线程安全的哈希表，它是通过synchronized来保证线程安全的；即，多线程通过同一个“对象的同步锁”来实现并发控制。Hashtable在线程竞争激烈时，效率比较低(此时建议使用ConcurrentHashMap)！因为当一个线程访问Hashtable的同步方法时，其它线程就访问Hashtable的同步方法时，可能会进入阻塞状态。

　　ConcurrentHashMap是线程安全的哈希表，它是通过“锁分段”来保证线程安全的。ConcurrentHashMap将哈希表分成许多片段(Segment)，每一个片段除了保存哈希表之外，本质上也是一个“可重入的互斥锁”(ReentrantLock)。多线程对同一个片段的访问，是互斥的；但是，对于不同片段的访问，却是可以同步进行的。

ConcurrentHashMap原理和数据结构

要想搞清ConcurrentHashMap，必须先弄清楚它的数据结构：

java Collectors 并发list java并发集合类_数组_06

(01) ConcurrentHashMap继承于AbstractMap抽象类。
(02) Segment是ConcurrentHashMap中的内部类，它就是ConcurrentHashMap中的“锁分段”对应的存储结构。ConcurrentHashMap与Segment是组合关系，1个ConcurrentHashMap对象包含若干个Segment对象。在代码中，这表现为ConcurrentHashMap类中存在“Segment数组”成员。
(03) Segment类继承于ReentrantLock类，所以Segment本质上是一个可重入的互斥锁。
(04) HashEntry也是ConcurrentHashMap的内部类，是单向链表节点，存储着key-value键值对。Segment与HashEntry是组合关系，Segment类中存在“HashEntry数组”成员，“HashEntry数组”中的每个HashEntry就是一个单向链表。

对于多线程访问对一个“哈希表对象”竞争资源，Hashtable是通过一把锁来控制并发；而ConcurrentHashMap则是将哈希表分成许多片段，对于每一个片段分别通过一个互斥锁来控制并发。ConcurrentHashMap对并发的控制更加细腻，它也更加适应于高并发场景！

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