Java分布式应用学习笔记04JDK的并发包的集合总结---前篇 博客分类： 分布式集群 分布式集群并发包集合Java
1. 前言
平时咱们使用的HashMap、ArrayList等等容器集合包都存在线程安全的问题，看过JDK源码的各位朋友们知道这些实现类底层，为了性能，都没有对这些集合的操作方法做加锁或者副本传递机制，只有Vector和Stack是线程安全的，大家可以看它们的源码，底层方法是以在方法上加上synchronized作为代价的，换句话说是用时间换取空间的方式。Sun JDK对多线程并发环境下做了很多并发的解决方案，其类大都在java.util.concurrent.*下面，此包下的类和java.util.*包下面的集合类，在使用上几乎没什么太大分别，想想也是啊！他们都是实现接口规范：List、Set、Map的。只要接口规范不变，那么在使用上也不应该有何变化，实现机制是一个侧重低概率并发或者就是单线程环境下，并发包则侧重高并发情况的系统。大家可以看看Tomcat的源代码，其中org.apache.catalina.core.ApplicationContext里面就使用到了并发包，因为Tomcat作为Web容器一定要接受来自各个客户端的request，进而分配Web应用上下文信息，应用参数key-value值等等。又得满足并发的请求、又得满足性能所需，所以它使用JDK的并发包。在使用层面上，笔者并不作过多介绍，可以参考非并发包的使用。至于这些非并发包的底层实现方式可以参考笔者的blog关于Java基础数据结构的基础知识，而是介绍一下这些并发包的底层机制和性能对比，在多线程环境下，用并发包和不用并发包的时间效率对比，空间资源效率不用比了，肯定单线程那些包消耗的比多线程消耗的小得多，毕竟做任何事都是要付出代价的。
http://suhuanzheng7784877.iteye.com/blog/1004128。
2. Map的并发包
Map接口在并发包下的实现叫做java.util.concurrent.ConcurrentHashMap。它实现了ConcurrentMap接口，而ConcurrentMap接口又是继承自Map接口的扩展。
先看看它是如何实现put操作的。
public V put(K key, V value) {
if (value == null)
throw new NullPointerException();
int hash = hash(key.hashCode());
return segmentFor(hash).put(key, hash, value, false);
}
首先判断值是否为空，空值不必要存储，之后根据key的哈希值计算一个hash值。根据计算出的hash值去获取segment对象。找到了segment对象后调用该对象的put方法完成操作。Segment是ConcurrentHashMap的内部类其底层原理使用一个transient volatile HashEntry<K,V>[] table;进行存取。现在再看segment内的put源码
V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
lock();
try {
int c = count;
if (c++ > threshold) // ensure capacity
rehash();
HashEntry<K,V>[] tab = table;
int index = hash & (tab.length - 1);
HashEntry<K,V> first = tab[index];
HashEntry<K,V> e = first;
while (e != null && (e.hash != hash || !key.equals(e.key)))
e = e.next;
V oldValue;
if (e != null) {
oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent)
e.value = value;
}
else {
oldValue = null;
++modCount;
tab[index] = new HashEntry<K,V>(key, hash, first, value);
count = c; // write-volatile
}
return oldValue;
} finally {
unlock();
}
}
首先是进行加锁操作，之后就是进行数组大小的判断，如果容量不够，则需要扩充。之后再通过对hash值的按位与的操作后，得到了这个key所要放置的位置。有了位置了，再看HashEntry数组组成的对象链，是否已经有key，如果有了，覆盖value操作，如果没有，创建一个新的HashEntry对象，重新组成HashEntry链表，最后进行解锁操作。
所以直线我们关心的在put中会出现的线程安全问题，看了源码后是不是就解决了。想想除了put操作会出现线程不安全的隐患外，我们来看看remove操作。
删除操作代码原理与put操作类似，也是通过hash值找到那个segment对象，之后调用segment的remove方法去完成真正的操作。真正的操作也是先加锁，之后迭代HashEntry，直到找到了传入的hash值相同的。找到了删之，重新建立链表！找不到，over，然后释放对象锁。
在ConcurrentHashMap的get、containsKey等等这种不破坏原子性的读取（read）操作可以说大部分情况下没有进行加锁操作，即便像get加了锁操作，也是极其轻量的，仅仅是加锁了一行很简单的读取操作代码，如下
V readValueUnderLock(HashEntry<K,V> e) {
lock();
try {
return e.value;
} finally {
unlock();
}
}
下面我们来看看性能，在此所说的性能仅仅指时间执行效率。
使用一般HashMap包的程序如下
package threadConcurrent.hashMap;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
/**
* @author liuyan
*
*/
public class PubHashMap implements Runnable {
final static int ThreadSIZE = 2500;
final static int elSize = 500;
int threadNum;
public PubHashMap(int threadNum) {
this.threadNum = threadNum;
}
@Override
public void run() {
Map<String, String> hashMap = new HashMap<String, String>();
for (int i = 0; i < elSize; i++) {
hashMap.put(i + "" + threadNum, i + "" + threadNum);
}
}
/**
* @param args
*/
public static void main(String[] args) {
// 启用线程池
ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(ThreadSIZE);
long startTime = System.currentTimeMillis();
for (int index = 0; index <= ThreadSIZE; index++) {
exec.execute(new PubHashMap(index));
}
long endTime = System.currentTimeMillis();
exec.shutdown();
System.out.println("消耗时间：" + (endTime - startTime) + "ms");
}
}
启动2500个线程，每个线程往HashMap中添加500个字符串元素。执行多次后给出一个平均时间吧
消耗时间：1753ms
使用并发包程序如下
package threadConcurrent.hashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
/**
* @author liuyan
*
*/
public class PutConcurrentHashMap implements Runnable {
final static int ThreadSIZE = 2500;
final static int elSize = 500;
int threadNum;
public PutConcurrentHashMap(int threadNum) {
this.threadNum = threadNum;
}
@Override
public void run() {
Map<String, String> concurrentHashMap = new ConcurrentHashMap<String, String>();
for (int i = 0; i < elSize; i++) {
concurrentHashMap.put(i + "" + threadNum, i + "" + threadNum);
}
}
/**
* @param args
*/
public static void main(String[] args) {
// 启用线程池
ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(ThreadSIZE);
long startTime = System.currentTimeMillis();
for (int index = 0; index <= ThreadSIZE; index++) {
exec.execute(new PutConcurrentHashMap(index));
}
long endTime = System.currentTimeMillis();
exec.shutdown();
System.out.println("消耗时间：" + (endTime - startTime) + "ms");
}
}
也是多次执行后，得出一个平均时间吧
消耗时间：1869ms
时间消耗上差不多哈。在集合元素越来越多的情况下，在解决线程安全的同时保证了时间执行熬费上几乎和非线程安全的Map持平。所以在并发条件下不必自己解决Map的线程安全问题，直接放心使用JDK自己的并发Map包即可，时间性能上还能保证。
3. List的并发包
可以在高并发环境下使用java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList代替java.util.ArrayList。对于添加元素的操作，底层并不像Map那么复杂，就是利用了数组的copy功能和加锁机制
public boolean add(E e) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
newElements[len] = e;
setArray(newElements);
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}
它是使用ReentrantLock进行的加锁，之后获得数组进行copy操作，之后数组个数加一。将新元素填充，之后再对局部变量进行一下set操作，最后就是解锁操作。
至于remove操作，和add的原理一样
public E remove(int index) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
Object oldValue = elements[index];
int numMoved = len - index - 1;
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 (E) oldValue;
} finally {
lock.unlock();
}
}
在枷锁对儿中间，先找到标记下的数组元素，之后创建一个新的临时数组，进行copy，将要删除的对象元素剔除出去！返回被删除元素对象。
做add操作性能与ArrayList进行对比，线程运行400个，添加元素数是2000个。对比平均之后发现运行的时间也相差不是很多。并发情况下，CopyOnWriteArrayList比ArrayList略快了那么一点点。get几乎和ArrayList没差别，直接从数组中找第index个元素。