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一、Java并发容器 ConcurrentHashMap#xff1a; 它是一个高效的并发哈希表#xff0c;支持多线程并发操作而不需…Java 并发容器是一组用于在多线程环境下安全访问和操作数据的数据结构。它们提供了线程安全的集合和映射使开发者能够更轻松地处理并发编程问题。
一、Java并发容器 ConcurrentHashMap 它是一个高效的并发哈希表支持多线程并发操作而不需要显式的同步。适用于高并发读和写操作的场景。 CopyOnWriteArrayList 这个容器支持在迭代期间进行并发写操作。当需要在读操作频繁而写操作较少的场景中使用。 ConcurrentLinkedQueue 和 ConcurrentLinkedDeque 这些是非阻塞队列实现适用于高吞吐量的并发队列操作。通常用于任务调度、工作队列等场景。 BlockingQueue 它是一组阻塞队列的接口如 LinkedBlockingQueue、ArrayBlockingQueue、PriorityBlockingQueue 等。这些队列提供了在队列为空或满时阻塞线程的能力适用于生产者-消费者问题和任务调度等。 Semaphore 和 CountDownLatch 虽然不是容器但它们是并发编程中常用的同步工具。 二、ConcurrentHashMap
ConcurrentHashMap 是 Java 中的一个线程安全的哈希表散列表实现它允许多个线程同时读取数据而不需要显式的同步操作并且支持高并发的读和写操作。ConcurrentHashMap 的主要特点包括 并发读取 多个线程可以同时读取数据不会被阻塞这使得 ConcurrentHashMap 在读多写少的场景下非常高效。 分段锁 ConcurrentHashMap 内部使用了分段锁机制将数据分成多个段Segment每个段上都有一个锁不同线程可以同时访问不同段的数据从而提高并发性能。 线程安全写入 写操作如插入、更新、删除仍然是线程安全的但它不会锁住整个数据结构而只锁住相关的段使得其他线程仍然可以访问不同段的数据。 弱一致性 ConcurrentHashMap 提供了一定程度的弱一致性因为它不保证在某一时刻数据的完全一致性但保证了线程的安全性。 扩展性 ConcurrentHashMap 具有较好的扩展性可以通过调整初始容量和负载因子来优化性能。 迭代支持 ConcurrentHashMap 提供了安全的迭代器它可以在遍历时支持并发写操作。 ConcurrentHashMap用法示例
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;public class ConcurrentHashMapExample {public static void main(String[] args) {ConcurrentHashMapString, Integer map new ConcurrentHashMap();// 插入数据map.put(one, 1);map.put(two, 2);map.put(three, 3);// 获取数据int value map.get(two);System.out.println(Value for key two: value);// 删除数据map.remove(three);// 迭代数据for (String key : map.keySet()) {int val map.get(key);System.out.println(key : val);}}
}虽然 ConcurrentHashMap 支持高并发读取和写入但在一些特定情况下仍然需要考虑同步和竞态条件问题。
三、CopyOnWriteArrayList
CopyOnWriteArrayList 是 Java 集合框架中的一种线程安全的并发容器它提供了一种特殊的并发策略适用于读多写少的场景。与普通的 ArrayList 不同CopyOnWriteArrayList 在写操作时不对原有数据进行修改而是创建一个新的副本这样可以避免读操作与写操作之间的竞态条件保证读操作的线程安全。
主要特点和用途包括 线程安全的读取 多个线程可以同时读取数据而不需要显式的同步操作。这使得 CopyOnWriteArrayList 在读多写少的场景下非常高效。 写入时复制Copy-On-Write 写入操作会创建一个新的副本而不是修改原有数据。这确保了写操作不会影响正在进行的读操作保证了读操作的一致性。原有的数据在写入完成后会被废弃。 高效的迭代 CopyOnWriteArrayList 提供了安全的迭代器可以在迭代集合时进行并发写操作不会抛出 ConcurrentModificationException 异常。 适用于不频繁写入的场景 由于写操作涉及复制数据因此 CopyOnWriteArrayList 适用于写操作不频繁、但读操作较多的情况如事件监听器列表、观察者模式等。 下面是一个简单示例展示了如何使用 CopyOnWriteArrayList
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;public class CopyOnWriteArrayListExample {public static void main(String[] args) {CopyOnWriteArrayListString list new CopyOnWriteArrayList();// 插入数据list.add(one);list.add(two);list.add(three);// 获取数据String value list.get(1);System.out.println(Value at index 1: value);// 迭代数据for (String item : list) {System.out.println(item);}// 写操作不影响正在进行的读操作list.add(four);// 迭代数据包含新添加的元素for (String item : list) {System.out.println(item);}}
}四、BlockingQueue
BlockingQueue 是 Java 并发编程中的一个重要接口它表示一种线程安全的阻塞队列。阻塞队列在多线程编程中非常有用因为它提供了一种线程安全的方式来实现生产者-消费者模型和其他协作模式。
BlockingQueue 接口继承自 Queue 接口它定义了一组用于插入、删除和检查元素的方法但与普通的队列不同BlockingQueue 的方法具有阻塞特性这意味着当队列为空时从队列中取元素的操作会被阻塞直到有元素可用当队列已满时向队列中插入元素的操作也会被阻塞直到有空间可用。
常见的 BlockingQueue 实现包括 LinkedBlockingQueue 基于链表的阻塞队列可以设置容量当队列为空或已满时操作会被阻塞。 ArrayBlockingQueue 基于数组的阻塞队列需要指定容量当队列为空或已满时操作会被阻塞。 PriorityBlockingQueue 基于优先级的阻塞队列元素会按照优先级进行排序不需要容量限制。 DelayQueue 用于存放实现了 Delayed 接口的元素元素只能在延迟时间过后才能被取出。 LinkedTransferQueue 支持多个生产者和消费者的队列具有高吞吐量。 SynchronousQueue 一种特殊的阻塞队列它没有容量用于直接传递数据的通信。
使用 BlockingQueue 可以轻松实现一些经典的多线程协作模式例如生产者-消费者模型。以下是一个简单示例演示了如何使用 LinkedBlockingQueue 实现生产者-消费者模型
import java.util.concurrent.*;public class ProducerConsumerExample {public static void main(String[] args) {BlockingQueueInteger queue new LinkedBlockingQueue(10);// 生产者线程Thread producer new Thread(() - {try {for (int i 1; i 10; i) {queue.put(i);System.out.println(Produced: i);Thread.sleep(100);}} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}});// 消费者线程Thread consumer new Thread(() - {try {for (int i 1; i 10; i) {int value queue.take();System.out.println(Consumed: value);Thread.sleep(200);}} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}});producer.start();consumer.start();}
}在上述示例中生产者线程不断往队列中放入数据而消费者线程则不断从队列中取出数据它们通过阻塞队列实现了线程间的协作。这种模型可以用于处理多个生产者和消费者的情况并确保线程安全。
BlockingQueue 是并发编程中的一个重要工具可以简化线程之间的通信和同步减少了开发者需要处理的低级细节。根据具体的需求选择合适的 BlockingQueue 实现非常重要。
五、Semaphore
Semaphore 是 Java 并发编程中的一个同步工具用于控制同时访问某个资源的线程数量。它允许多个线程并发访问共享资源但可以限制同时访问的线程数目从而实现资源的有序分配。
Semaphore 主要有两个重要的操作 acquire() 当一个线程希望获取资源时它调用 acquire() 方法。如果有可用的资源线程将获得许可并继续执行。如果没有可用的资源线程将被阻塞直到有资源可用为止。 release() 当一个线程使用完资源时它调用 release() 方法来释放资源。这会导致信号量的许可数增加从而允许其他等待资源的线程获得许可并继续执行。
Semaphore 可以用于以下一些典型的场景 控制资源访问数量 限制同时访问某个共享资源的线程数量例如数据库连接池的控制。 实现有界容器 可以用 Semaphore 来实现有界的集合例如有界队列。 实现并发任务控制 控制并发任务的数量例如控制同时运行的线程数量。
下面是一个简单示例演示了如何使用 Semaphore 来控制同时执行的线程数量 import java.util.concurrent.Semaphore;public class SemaphoreExample {public static void main(String[] args) {// 创建一个Semaphore限制最多同时有两个线程访问共享资源Semaphore semaphore new Semaphore(2);// 创建多个线程for (int i 1; i 5; i) {Thread thread new Thread(() - {try {System.out.println(Thread.currentThread().getName() is waiting for a permit.);semaphore.acquire();System.out.println(Thread.currentThread().getName() has acquired a permit.);Thread.sleep(2000); // 模拟线程在共享资源上的操作} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();} finally {System.out.println(Thread.currentThread().getName() is releasing a permit.);semaphore.release();}});thread.start();}}
}在上述示例中我们创建了一个 Semaphore并限制最多同时有两个线程可以获得许可。多个线程尝试获取许可但只有两个线程能够同时执行其余的线程会被阻塞直到有许可可用。
Semaphore 是一个非常有用的同步工具可用于管理共享资源的并发访问控制线程的并发数量以及其他需要有序控制的场景。
六、CountDownLatch
CountDownLatch 是 Java 并发编程中的一个同步工具类它用于实现一种等待多个线程完成任务的场景。CountDownLatch 通过一个计数器来实现计数器的值初始化为一个正整数然后多个线程执行任务每个任务执行完毕后计数器的值减一当计数器的值变为零时等待的线程可以继续执行。
CountDownLatch 主要有两个重要的方法 countDown() 每个任务执行完毕后调用这个方法来减小计数器的值。通常在任务的最后一步调用。 await() 等待计数器的值变为零一直阻塞当前线程直到计数器值为零才继续执行。
CountDownLatch 可以用于以下一些典型的场景 多个线程协作完成任务 主线程等待多个子线程完成任务后再继续执行。 控制并发任务的开始 多个线程等待某个共同的事件发生后同时开始执行。 统计多个线程的执行时间 可以用于测量多个线程完成任务所花费的总时间。
下面是一个简单示例演示了如何使用 CountDownLatch 来等待多个线程完成任务
import java.util.concurrent.CountDownLatch;public class CountDownLatchExample {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {int numThreads 3;CountDownLatch latch new CountDownLatch(numThreads);for (int i 0; i numThreads; i) {Thread thread new Thread(() - {try {// 模拟线程执行任务Thread.sleep(2000);System.out.println(Thread.currentThread().getName() has completed.);} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();} finally {latch.countDown(); // 任务执行完毕减少计数器}});thread.start();}// 等待所有线程完成latch.await();System.out.println(All threads have completed.);}
}在上述示例中我们创建了一个 CountDownLatch初始化计数器值为 3表示有三个线程需要等待。然后创建了三个线程每个线程执行完毕后调用 countDown() 来减小计数器的值。主线程使用 await() 来等待计数器的值变为零一旦所有线程都执行完毕主线程继续执行。
CountDownLatch 是一个常用的同步工具用于协调多个线程的执行实现任务的并发控制。
