java多线程总结-同步容器与并发容器的对比与介绍

1 容器集简单介绍

java.util包下面的容器集主要有两种，一种是Collection接口下面的List和Set，一种是Map,
大致结构如下：

Collection
- List
  - LinkedList
  - ArrayList
  - Vector
    - Stack
- Set
  - HashSet
  - TreeSet
  - LinkedSet
Map
- Hashtable
- HashMap
- WeakHashMap

2 同步容器

同步容器也叫线程安全容器，是通过syncrhoized关键字对线程不安全的操作进行加锁来保证线程安全的
其中同步容器主要包括:
1.Vector、Stack、HashTable
2.Collections 工具类中提供的同步集合类
Collections类是一个工具类，相当于Arrays类对于Array的支持，Collections类中提供了大量对集合或者容器进行排序、查找的方法。它还提供了几个静态方法来创建同步容器类：

3 并发容器

java.util.concurrent提供了多种线程安全容器，大多数是使用系统底层技术实现的线程安全，也叫并发容器，类似native。Java8中使用CAS。

4 案例讲解

这里主要介绍一些常见的同步容器和并发容器，通过案例输出结果对比进行介绍
我大致分为了三类Map/Set,List,Queue来进行讲解,但一个Map/Set，只介绍了Map,因为在java的设计中，Set就是Map，说白了就是只有Key没有Value的Map，好了，现在开始进入正题

4.1 Map/Set

代码中new了三个Map,HashTable，ConcurrentHashMap，ConcurrentSkipListMap比较每个map的运行效率，起100个线程向map中存放10000条随机数，并通过门闩CountDownLatch控制运行状态，输出运行时间

/**
 * 并发容器 - ConcurrentMap
 */
package com.bernardlowe.concurrent.t06;

import java.util.HashMap;
import java.util.Hashtable;
import java.util.Map;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.ConcurrentSkipListMap;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class Test_01_ConcurrentMap {
    
    public static void main(String[] args) {
        final Map<String, String> map = new Hashtable<>();
        // final Map<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();
        // final Map<String, String> map = new ConcurrentSkipListMap<>();
        final Random r = new Random();
        Thread[] array = new Thread[100];
        final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(array.length);
        
        long begin = System.currentTimeMillis();
        for(int i = 0; i < array.length; i++){
            array[i] = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for(int j = 0; j < 10000; j++){
                        map.put("key"+r.nextInt(100000000), "value"+r.nextInt(100000));
                    }
                    latch.countDown();
                }
            });
        }
        for(Thread t : array){
            t.start();
        }
        try {
            latch.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("执行时间为 ： " + (end-begin) + "毫秒！");
    }

}

Hashtable结果：

ConcurrentHashMap结果：

ConcurrentSkipListMap结果:

ConcurrentHashMap的底层是哈希实现的同步Map(Set)
ConcurrentSkipListMap内部是SkipList（跳表）结构实现的非阻塞读/写/删除的 Map，它的value是有序存储的, 而且其内部是由纵横链表组成，在JDK1.8中，ConcurrentHashMap的性能和存储空间要优于ConcurrentSkipListMap

为了让测试数据结果对比更加直观，我这里故意将生成的随机数调的比较大。这里需要注意一下，在测试的时候，如果机器性能比较好，可能结果会出现误差，因为System.currentTimeMillis()，这个方法调用了个native方法，获取的时间精度会依赖于操作系统的实现机制，具体为什么，可以看看这篇文章http://blog.sina.com.cn/s/blog_6b8bd9d80101fe8t.html。但我按照文档的办法将System.currentTimeMillis()改为System.nanoTime()，发现并没有解决这个问题，可能是因为并没有达到纳秒级别吧。

4.2 List

下面代码与4.1的代码类似，也是new了三个List,ArrayList，Vector，CopyOnWriteArrayList，起100个线程向map中存放1000条随机数，并通过门闩CountDownLatch控制运行状态，输出运行时间和最后list的的长度。由于ArrayList是线程不安全，在多线程执行的时候，需要try{}catch{},否则会因为数组越界而报错，因为ArrayList底层是一个长度动态扩展的数组

/**
 * 并发容器 - CopyOnWriteList
 */
package com.bernardlowe.concurrent.t06;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Random;
import java.util.Vector;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class Test_02_CopyOnWriteList {
    
    public static void main(String[] args) {
         final List<String> list = new ArrayList<String>(); // 线程不安全
//       final List<String> list = new Vector<>(); // 线程安全
//      final List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>(); // 线程安全
        final Random r = new Random();
        Thread[] array = new Thread[100];
        final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(array.length);
        
        long begin = System.currentTimeMillis();
        for(int i = 0; i < array.length; i++){
            array[i] = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for(int j = 0; j < 1000; j++){
                        try {
                            list.add("value" + r.nextInt(100000));
                        } catch (Exception e) {

                        }
                    }
                    latch.countDown();
                }
            });
        }
        for(Thread t : array){
            t.start();
        }
        try {
            latch.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("执行时间为 ： " + (end-begin) + "毫秒！");
        System.out.println("List.size() : " + list.size());
    }

}

ArrayList结果：因为ArrayList是线程不安全的，所以在多线程环境中，可能会丢失数据

Vector结果：

CopyOnWriteArrayList结果：

CopyOnWriteArrayList是读写分离的，写时复制出一个新的数组，完成插入、修改或者移除操作后将新数组赋值给array，读取时直接读取最新的数组，所以在写操作时，效率非常低（虽然写比较慢，但它在删除数组头和尾还是很快的）
从上面三个结果可以看出,CopyOnWriteArrayList虽然保证了线程安全，但它的写操作效率太低了，但相比Vector，并发安全且性能比Vector好，Vector是增删改查方法都加了synchronized，保证同步，但是每个方法执行的时候都要去获得锁，性能就会大大下降，而CopyOnWriteArrayList 只是在增删改上加锁，但是读不加锁，在读方面的性能就好于Vector，CopyOnWriteArrayList支持读多写少的并发情况，所以CopyOnWriteArrayList是不会存在脏读问题的

4.3 Queue

这一节主要介绍一些并发队列的常用api

4.3.1 ConcurrentLinkedQueue

基础链表同步队列

peek() -> 查看queue中的首数据
poll() -> 获取queue中的首数据

/**
 * 并发容器 - ConcurrentLinkedQueue
 *  队列 - 链表实现的。 
 */
package com.bernardlowe.concurrent.t06;

import java.util.Queue;
import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;

public class Test_03_ConcurrentLinkedQueue {
    
    public static void main(String[] args) {
        Queue<String> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();

        //向队列中增加10个数据
        for(int i = 0; i < 10; i++){
            queue.offer("value" + i);
        }
        
        System.out.println(queue);
        System.out.println(queue.size());

        // peek() -> 查看queue中的首数据，
        System.out.println("首数据 " + queue.peek());
        System.out.println("队列长度 "+ queue.size());
        System.out.println("===================");
        // poll() -> 获取queue中的首数据
        System.out.println("首数据 " + queue.peek());
        System.out.println("队列长度 "+ queue.size());
    }

}

结果：

4.3.2 阻塞队列LinkedBlockingQueue

阻塞队列，队列容量不足自动阻塞，队列容量为0自动阻塞。

put & take – 自动阻塞
put自动阻塞，队列容量满后，自动阻塞
take自动阻塞方法，队列容量为0后，自动阻塞

/**
 * 并发容器 - LinkedBlockingQueue
 *  阻塞容器。
 */
package com.bernardlowe.concurrent.t06;

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class Test_04_LinkedBlockingQueue {
    
    final BlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<>();
    final Random r = new Random();
    
    public static void main(String[] args) {
        final Test_04_LinkedBlockingQueue t = new Test_04_LinkedBlockingQueue();
        
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                while(true){
                    try {
                        t.queue.put("value"+t.r.nextInt(1000));
                        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }, "producer").start();
        
        for(int i = 0; i < 3; i++){
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    while(true){
                        try {
                            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + 
                                    " - " + t.queue.take());
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                }
            }, "consumer"+i).start();
        }
    }

}

结果：

结果就是一个简单的生产者消费者

4.3.3 BlockingQueue

底层数组实现的有界队列，当容量不足的时候，有阻塞能力，根据调用API（add/put/offer）不同，有不同特性
这里主要介绍三个api方法add，put，offer

add方法在容量不足的时候，抛出异常。
put方法在容量不足的时候，阻塞等待。
offer方法

单参数offer方法，不阻塞。容量不足的时候，返回false。当前新增数据操作放弃。
三参数offer方法（offer(value,times,timeunit)），容量不足的时候，阻塞times时长（单位为timeunit），如果在阻塞时长内，有容量空闲，新增数据返回true。如果阻塞时长范围内，无容量空闲，放弃新增数据，返回false。

/**
 * 并发容器 - ArrayBlockingQueue
 *  有界容器。
 */
package com.bernardlowe.concurrent.t06;

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class Test_05_ArrayBlockingQueue {
    
    final BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<>(3);
    
    public static void main(String[] args) {
        final Test_05_ArrayBlockingQueue t = new Test_05_ArrayBlockingQueue();
        
        for(int i = 0; i < 5; i++){

            // 1.add method
            System.out.println("add method : " + t.queue.add("value"+i));

            // 2.put method
//          try {
//              t.queue.put("put"+i);
//          } catch (InterruptedException e) {
//              e.printStackTrace();
//          }
//          System.out.println("put method : " + i);

            // 3.offer method
//          System.out.println("offer method : " + t.queue.offer("value"+i));
//          try {
//              System.out.println("offer method : " +
//                          t.queue.offer("value"+i, 1, TimeUnit.SECONDS));
//          } catch (InterruptedException e) {
//              e.printStackTrace();
//          }
        }
        
        System.out.println(t.queue);
    }

}

add方法结果：容量不足的时候，抛出异常

put方法结果：容量不足的时候，阻塞等待

单/多参数offer方法结果：

单参数offer：容量不足，直接返回结果，不阻塞
多参数offer：容量不足，阻塞

4.3.4 延时队列DelayQueue

延时队列。根据比较机制，实现自定义处理顺序的队列。常用于定时任务。
如：定时关机。
具体示例代码如下

/**
 * 并发容器 - DelayQueue
 */
package com.bernardlowe.concurrent.t06;

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.DelayQueue;
import java.util.concurrent.Delayed;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class Test_06_DelayQueue {
    
    static BlockingQueue<MyTask_06> queue = new DelayQueue<>();
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        long value = System.currentTimeMillis();
        MyTask_06 task1 = new MyTask_06(value + 2000);
        MyTask_06 task2 = new MyTask_06(value + 1000);
        MyTask_06 task3 = new MyTask_06(value + 3000);
        MyTask_06 task4 = new MyTask_06(value + 2500);
        MyTask_06 task5 = new MyTask_06(value + 1500);
        
        queue.put(task1);
        queue.put(task2);
        queue.put(task3);
        queue.put(task4);
        queue.put(task5);
        
        System.out.println(queue);
        System.out.println(value);
        for(int i = 0; i < 5; i++){
            System.out.println(queue.take());
        }
    }

}

class MyTask_06 implements Delayed {
    
    private long compareValue;
    
    public MyTask_06(long compareValue){
        this.compareValue = compareValue;
    }

    /**
     * 比较大小。自动实现升序
     * 建议和getDelay方法配合完成。
     * 如果在DelayQueue是需要按时间完成的计划任务，必须配合getDelay方法完成。
     */
    @Override
    public int compareTo(Delayed o) {
        return (int)(this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS) - o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS));
    }

    /**
     * 获取计划时长的方法。
     * 根据参数TimeUnit来决定，如何返回结果值。
     */
    @Override
    public long getDelay(TimeUnit unit) {
        return unit.convert(compareValue - System.currentTimeMillis(), TimeUnit.MILLISECONDS);
    }
    
    @Override
    public String toString(){
        return "Task compare value is : " + this.compareValue;
    }
    
}

结果：

4.3.5 转移队列LinkedTransferQueue

这里主要是两个方法的区别，add和transfer

add – 队列会保存数据，不做阻塞等待。
transfer – 是TransferQueue的特有方法。必须有消费者（take()方法的调用者）。

/**
 * 并发容器 - LinkedTransferQueue
 *  转移队列
 */
package com.bernardlowe.concurrent.t06;

import java.util.concurrent.LinkedTransferQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.TransferQueue;

public class Test_07_TransferQueue {
    
    TransferQueue<String> queue = new LinkedTransferQueue<>();
    
    public static void main(String[] args) {
        final Test_07_TransferQueue t = new Test_07_TransferQueue();
        
        /*new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " thread begin " );
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - " + t.queue.take());
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }, "output thread").start();

        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        try {
            t.queue.transfer("test string");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }*/
        
        new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                try {
                    t.queue.transfer("test string");
                    // t.queue.add("test string");
                    System.out.println("add ok");
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
        
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " thread begin " );
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - " + t.queue.take());
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }, "output thread").start();
        
    }

}

这里的transfer()和take()都是阻塞方法，take先请求接收数据或者transfer先发送数据，都会进行阻塞等待。
举个例子，transfer()就相当与手机打电话，当A给B打电话，B必须接收到电话信号接听才能进行通话，否则A会一直等待
add()就相当于A给B发短信，短信已经存到了运营商那边，等待B接收，不管发短信时B是否在线

4.3.6 SynchronousQueue

该队列一个容量为0的队列，是一个特殊的TransferQueue，它和TransferQueue很像，但这个队列必须要有消费线程才行
又两个方法add,put
add方法，无阻塞。若没有消费线程阻塞等待数据，则抛出异常。
put方法，有阻塞。若没有消费线程阻塞等待数据，则阻塞。

/**
 * 并发容器 - SynchronousQueue
 */
package com.bernardlowe.concurrent.t06;

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.SynchronousQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class Test_08_SynchronusQueue {
    
    BlockingQueue<String> queue = new SynchronousQueue<>();
    
    public static void main(String[] args) {
        final Test_08_SynchronusQueue t = new Test_08_SynchronusQueue();
        
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " thread begin " );
                    try {
                        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - " + t.queue.take());
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }, "output thread").start();
        
        /*try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }*/
        // t.queue.add("test add");
        try {
            t.queue.put("test put");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " queue size : " + t.queue.size());
    }

}

将t.queue.add("test add");的注释打开，t.queue.put("test put");加上注释
add方法异常结果： 因为它是一个容量为0的队列

本文链接：https://www.cnblogs.com/LionElegy/p/11223917.html