Java的并发容器和框架

1.线程安全的容器 -- ConcurrentHashMap

背景：并发编程中使用HashMap线程不安全，容器导致程序死循环，而使用线程安全的hashtable则效率非常低下，基于上面的原因出现了ConcurrentHashMap。

ConcurrentHashMap采用锁分段（Java7和Java8的源码有所不同，Java8底层用了红黑树）

static class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable

整个 ConcurrentHashMap 由一个个 Segment 组成，Segment 代表”部分“或”一段“的意思，所以很多地方都会将其描述为分段锁。

简单理解就是，ConcurrentHashMap 是一个 Segment 数组，Segment 通过继承 ReentrantLock 来进行加锁，所以每次需要加锁的操作锁住的是一个 segment，这样只要保证每个 Segment 是线程安全的，也就实现了全局的线程安全。每一个Segment里面相当于又是一个HashMap（数组加链表）

2.非阻塞算法的线程安全的队列 -- ConcurrentLinkedQueue

在并发编程中要实现线程安全的队列，方式有：

1.使用阻塞的算法(使用锁实现，i>: 对于入队和出队使用同一把锁， ii> 或者入队一把锁，出队一把锁)

2.使用非阻塞的算法(使用循环CAS实现)

ConcurrrentLinkedQueue队列是属于非阻塞的方式实现线程安全,并且是属于无界线程安全队列

3.Java7中的阻塞队列

3.1.概念：

阻塞队列：阻塞队列是支持两个附加操作的队列，这两个附加的操作支持阻塞的插入和移出的方法

1）支持阻塞的插入：意思是当队列满了的时候，队列会阻塞插入元素的线程，直到队列不满

2）支持阻塞的移除：意思是当队列为空时，获取元素的线程会等待队列为非空

3.2.这两个附加操作提供的处理方式方法

1）抛出异常：当队列满时，如果在插入，会抛出IllegalStateException("Queue")异常，当队列空时，从队列为空时在获取会抛出NoSuchElementException异常。

2）返回特殊值：当往队列里插入元素，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。

3）一直阻塞：当阻塞队列满时，如果往里面put元素就会阻塞，知道队列可用或者响应中断退出。当队列空时，如果消费者线程往队列里take元素，队列就会阻塞消费者线程，知道队列不为空

4）超时退出：当线程队列满时，往生产这线程中插入元素就会阻塞线程一段时间，如果超过了这个时间，线程就会退出

注意点：如果是无界阻塞队列，队列就不可能出现满的情况，所以使用put或offer方法就永远不会则色，而且使用offer方法永远返回true.

3.3 Java里的阻塞队列

队列	有界性	锁	数据结构
ArrayBlockingQueue	有界	加锁	arrayList
LinkedBlockingQueue	有界	加锁	linkedList
PriorityBlockingQueue	无界	加锁	heap
DelayQueue	无界	加锁	heap
SyschronousQueue	----	加锁	----
LinkedTransferQueue	无界	加锁	linkedList
LinkedBlockingDeque	无界	加锁	linkedList

下面分别简单介绍一下：

ArrayBlockingQueue：是一个用数组实现的有界阻塞队列，此队列按照先进先出（FIFO）的原则对元素进行排序。支持公平锁和非公平锁。【注：每一个线程在获取锁的时候可能都会排队等待，如果在等待时间上，先获取锁的线程的请求一定先被满足，那么这个锁就是公平的。反之，这个锁就是不公平的。公平的获取锁，也就是当前等待时间最长的线程先获取锁】
LinkedBlockingQueue：一个由链表结构组成的有界队列，此队列的长度为Integer.MAX_VALUE。此队列按照先进先出的顺序进行排序。
PriorityBlockingQueue： 一个支持线程优先级排序的无界队列，默认自然序进行排序，也可以自定义实现compareTo()方法来指定元素排序规则，不能保证同优先级元素的顺序。
DelayQueue： 一个实现PriorityBlockingQueue实现延迟获取的无界队列，队列中的元素必须实现delayed接口，在创建元素时，可以指定多久才能从队列中获取当前元素。只有延时期满后才能从队列中获取元素。（DelayQueue可以运用在以下应用场景：1.缓存系统的设计：可以用DelayQueue保存缓存元素的有效期，使用一个线程循环查询DelayQueue，一旦能从DelayQueue中获取元素时，表示缓存有效期到了。2.定时任务调度。使用DelayQueue保存当天将会执行的任务和执行时间，一旦从DelayQueue中获取到任务就开始执行，从比如TimerQueue就是使用DelayQueue实现的。）
SynchronousQueue： 一个不存储元素的阻塞队列，每一个put操作必须等待take操作，否则不能添加元素。支持公平锁和非公平锁。SynchronousQueue的一个使用场景是在线程池里。Executors.newCachedThreadPool()就使用了SynchronousQueue，这个线程池根据需要（新任务到来时）创建新的线程，如果有空闲线程则会重复使用，线程空闲了60秒后会被回收。
LinkedTransferQueue： 一个由链表结构组成的无界阻塞队列，相当于其它队列，LinkedTransferQueue队列多了transfer和tryTransfer方法。
LinkedBlockingDeque： 一个由链表结构组成的双向阻塞队列。队列头部和尾部都可以添加和移除元素，多线程并发时，可以将锁的竞争最多降到一半。

Java中线程安全的内置队列还有：ConcurrentLinkedQueue,它使用了CAS这种无锁的方式来实现了线程安全的队列。无锁的方式性能好，但是队列是无界的，用在生产系统中，生产者生产速度过快，可能导致内存溢出。有界的阻塞队列ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue，为了减少Java的垃圾回收对系统性能的影响，会尽量选择array/heap格式的数据结构。这样的话就只剩下ArrayBlockingQueue。