14个Java并发容器，Java高手都知道！

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14个Java并发容器，Java高手都知道！

acupt Java技术栈 2020-10-08

不考虑多线程并发的情况下，容器类一般使用ArrayList、HashMap等线程不安全的类，效率更高。

在并发场景下，常会用到ConcurrentHashMap、ArrayBlockingQueue等线程安全的容器类，虽然牺牲了一些效率，但却得到了安全。

上面提到的线程安全容器都在java.util.concurrent包下，这个包下并发容器不少，今天全部翻出来鼓捣一下。

仅做简单介绍，后续再分别深入探索。

并发容器介绍

ConcurrentHashMap：并发版HashMap
CopyOnWriteArrayList：并发版ArrayList
CopyOnWriteArraySet：并发Set
ConcurrentLinkedQueue：并发队列(基于链表)
ConcurrentLinkedDeque：并发队列(基于双向链表)
ConcurrentSkipListMap：基于跳表的并发Map
ConcurrentSkipListSet：基于跳表的并发Set
ArrayBlockingQueue：阻塞队列(基于数组)
LinkedBlockingQueue：阻塞队列(基于链表)
LinkedBlockingDeque：阻塞队列(基于双向链表)
PriorityBlockingQueue：线程安全的优先队列
SynchronousQueue：读写成对的队列
LinkedTransferQueue：基于链表的数据交换队列
DelayQueue：延时队列

1.ConcurrentHashMap 并发版HashMap

最常见的并发容器之一，可以用作并发场景下的缓存。底层依然是哈希表，但在JAVA 8中有了不小的改变，而JAVA 7和JAVA 8都是用的比较多的版本，因此经常会将这两个版本的实现方式做一些比较（比如面试中），推荐这篇：HashMap, ConcurrentHashMap 原理及源码，一次性讲清楚。

一个比较大的差异就是，JAVA 7中采用分段锁来减少锁的竞争，JAVA 8中放弃了分段锁，采用CAS（一种乐观锁），同时为了防止哈希冲突严重时退化成链表（冲突时会在该位置生成一个链表，哈希值相同的对象就链在一起），会在链表长度达到阈值（8）后转换成红黑树（比起链表，树的查询效率更稳定）。

2.CopyOnWriteArrayList 并发版ArrayList

并发版ArrayList，底层结构也是数组，和ArrayList不同之处在于：当新增和删除元素时会创建一个新的数组，在新的数组中增加或者排除指定对象，最后用新增数组替换原来的数组。推荐：面试官问线程安全的List，看完再也不怕了。

适用场景：由于读操作不加锁，写（增、删、改）操作加锁，因此适用于读多写少的场景。

局限：由于读的时候不会加锁（读的效率高，就和普通ArrayList一样），读取的当前副本，因此可能读取到脏数据。如果介意，建议不用。

看看源码感受下：

public class CopyOnWriteArrayList<E>
  implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
  final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
  private transient volatile Object[] array;
  // 添加元素，有锁
  public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock(); // 修改时加锁，保证并发安全
    try {
      Object[] elements = getArray(); // 当前数组
      int len = elements.length;
      Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); // 创建一个新数组，比老的大一个空间
      newElements[len] = e; // 要添加的元素放进新数组
      setArray(newElements); // 用新数组替换原来的数组
      return true;
    } finally {
      lock.unlock(); // 解锁
    }
  }
  // 读元素，不加锁，因此可能读取到旧数据
  public E get(int index) {
    return get(getArray(), index);
  }
}

3.CopyOnWriteArraySet 并发Set

基于CopyOnWriteArrayList实现（内含一个CopyOnWriteArrayList成员变量），也就是说底层是一个数组，意味着每次add都要遍历整个集合才能知道是否存在，不存在时需要插入（加锁）。

适用场景：在CopyOnWriteArrayList适用场景下加一个，集合别太大（全部遍历伤不起）。

4.ConcurrentLinkedQueue 并发队列(基于链表)

基于链表实现的并发队列，使用乐观锁(CAS)保证线程安全。因为数据结构是链表，所以理论上是没有队列大小限制的，也就是说添加数据一定能成功。

5.ConcurrentLinkedDeque 并发队列(基于双向链表)

基于双向链表实现的并发队列，可以分别对头尾进行操作，因此除了先进先出(FIFO)，也可以先进后出（FILO），当然先进后出的话应该叫它栈了。

6.ConcurrentSkipListMap 基于跳表的并发Map

SkipList即跳表，跳表是一种空间换时间的数据结构，通过冗余数据，将链表一层一层索引，达到类似二分查找的效果

7.ConcurrentSkipListSet 基于跳表的并发Set

类似HashSet和HashMap的关系，ConcurrentSkipListSet里面就是一个ConcurrentSkipListMap，就不细说了。

8.ArrayBlockingQueue 阻塞队列(基于数组)

基于数组实现的可阻塞队列，构造时必须制定数组大小，往里面放东西时如果数组满了便会阻塞直到有位置（也支持直接返回和超时等待），通过一个锁ReentrantLock保证线程安全。

用offer操作举个例子：

public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
  implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
  /**
   * 读写共用此锁，线程间通过下面两个Condition通信
   * 这两个Condition和lock有紧密联系（就是lock的方法生成的）
   * 类似Object的wait/notify
   */
  final ReentrantLock lock;
  /** 队列不为空的信号，取数据的线程需要关注 */
  private final Condition notEmpty;
  /** 队列没满的信号，写数据的线程需要关注 */
  private final Condition notFull;
  // 一直阻塞直到有东西可以拿出来
  public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
      while (count == 0)
        notEmpty.await();
      return dequeue();
    } finally {
      lock.unlock();
    }
  }
  // 在尾部插入一个元素，队列已满时等待指定时间，如果还是不能插入则返回
  public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
  throws InterruptedException {
    checkNotNull(e);
    long nanos = unit.toNanos(timeout);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly(); // 锁住
    try {
      // 循环等待直到队列有空闲
      while (count == items.length) {
        if (nanos <= 0)
          return false;// 等待超时，返回
        // 暂时放出锁，等待一段时间（可能被提前唤醒并抢到锁，所以需要循环判断条件）
        // 这段时间可能其他线程取走了元素，这样就有机会插入了
        nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
      }
      enqueue(e);//插入一个元素
      return true;
    } finally {
      lock.unlock(); //解锁
    }
  }
}

乍一看会有点疑惑，读和写都是同一个锁，那要是空的时候正好一个读线程来了不会一直阻塞吗？

答案就在notEmpty、notFull里，这两个出自lock的小东西让锁有了类似synchronized + wait + notify的功能。

9.LinkedBlockingQueue 阻塞队列(基于链表)

基于链表实现的阻塞队列，想比与不阻塞的ConcurrentLinkedQueue，它多了一个容量限制，如果不设置默认为int最大值。

10.LinkedBlockingDeque 阻塞队列(基于双向链表)

类似LinkedBlockingQueue，但提供了双向链表特有的操作。

11.PriorityBlockingQueue 线程安全的优先队列

构造时可以传入一个比较器，可以看做放进去的元素会被排序，然后读取的时候按顺序消费。某些低优先级的元素可能长期无法被消费，因为不断有更高优先级的元素进来。

12.SynchronousQueue 数据同步交换的队列

一个虚假的队列，因为它实际上没有真正用于存储元素的空间，每个插入操作都必须有对应的取出操作，没取出时无法继续放入。

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一个简单的例子感受一下：

import java.util.concurrent.*;
public class Main {
  public static void main(String[] args) {
    SynchronousQueue<Integer> queue = new SynchronousQueue<>();
    new Thread(() -> {
      try {
        // 没有休息，疯狂写入
        for (int i = 0; ; i++) {
          System.out.println("放入: " + i);
          queue.put(i);
        }
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }).start();
    new Thread(() -> {
      try {
        // 咸鱼模式取数据
        while (true) {
          System.out.println("取出: " + queue.take());
          Thread.sleep((long) (Math.random() * 2000));
        }
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }).start();
  }
}
/* 输出:
放入: 0
取出: 0
放入: 1
取出: 1
放入: 2
取出: 2
放入: 3
取出: 3
*/

可以看到，写入的线程没有任何sleep，可以说是全力往队列放东西，而读取的线程又很不积极，读一个又sleep一会。输出的结果却是读写操作成对出现。

JAVA中一个使用场景就是Executors.newCachedThreadPool()，创建一个缓存线程池。

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
  return new ThreadPoolExecutor(
             0, // 核心线程为0，没用的线程都被无情抛弃
             Integer.MAX_VALUE, // 最大线程数理论上是无限了，还没到这个值机器资源就被掏空了
             60L, TimeUnit.SECONDS, // 闲置线程60秒后销毁
             new SynchronousQueue<Runnable>()); // offer时如果没有空闲线程取出任务，则会失败，线程池就会新建一个线程
}