《Java并发编程的艺术》第六章 Java并发容器和框架

文章目录

• 第六章 Java并发容器和框架
• • 框架图
  • ConcurrentHashMap的实现原理与使用
  • ConcurrentLinkedQueue
  • Java中的阻塞队列
  • • Java里的阻塞队列
    • 阻塞队列的实现原理

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第六章 Java并发容器和框架

框架图

高清图片地址

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ConcurrentHashMap的实现原理与使用

为什么要使用ConcurrentHashMap

其他HashMap方法的问题：

• HashMap的并发编程会导致死循环。
• 线程安全的HashTable效率低下。

HashMap分析：

• 多线程情况下，并发执行put会导致HashMap的Entry链表形成环形数据结构，一旦形成了环形，Entry的next节点永不为空，就会死循环。（Entry是啥？等看完了HashMap源码再研究研究）。
• 案例：

HashTable分析：
HashTable使用sync来保证线程安全，然而当一个线程访问HashTable同步方法时（Put），其他的线程就会进入阻塞状态（既不能Put也不能Get），所以效率很低。（对所有共享内存锁住了，sync是总线锁吗？忘记了）

ConcurrentHashMap可行原因：
ConcurrentHashMap使用了分段锁技术，即将数据分成一段一段地存储，然后给每段分配一把锁，当一个线程占用锁访问某一段时，其他段的数据也能被其他线程访问。

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ConcurrentHashMap的结构

ConcurrentHashMap是由Segment数组结构和HashEntry数组结构组成：

• Segment：一种可重入锁，扮演锁的角色，是一种数组和链表的结构，包含一个HashEntry数组，Segment守护这个数组。
• HashEntry：一个链表结构，存储键值对数据，当对HashEntry数组的数据进行修改时，必须先获得与之对应的Segment锁。

ConcurrentHashMap类图：

ConcurrentHashMap结构图：

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ConcurrentHashMap的初始化

1. 初始化segments数组：
concurrencyLevel是segment容器的序号吗？

• 源码：

  if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS){
      concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS;
  }
  int sshift = 0;
  int ssize = 1;
  // ssize只要2的倍数
  while (sshift < concurrencyLevel){
      ++sshift;
      ssize <<= 1;
  }
  segmentShift = 32 - sshift;
  segmentMask = ssize - 1;
  this.segments = Segment.newArray(ssize);
  

• 说明：
  • 为了通过按位与的散列算法来计算segments数组的索引，必须保证segments数组的长度是2的N次方。（所以是while循环中左移一位，就是乘2）。
  • ssize也就是容器里的锁的数量。
  • concurrentcyLevel的最大值是65535，所以数组的最大程度是65536。
  • 默认情况下concurrencyLevel等于16。

2. 初始化segmentShift和segmentMash：

• segmentShift：sshift等于ssize从1向左移动的次数，segmentShfit用于计算参与散列计算的数值的位数，ConcurrentHashMap的hash()方法输出的最大数是32位，所以segmentShift = 32 - sshift，（移动的地方都可以置0，不参与计算？）。
• segmentMask：散列运算的掩码，等于ssize-1，掩码的各个位置都是1。

3. 初始化每个segment：

• 源码：

  if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY){
      initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
  }
  // 计算segment里的每个HashEntry长度
  int c = initialCapacity / ssize;
  // 能多不能少
  if (c * ssize < initialCapacity){
      ++c;
  }
  // 数组长度应为2的倍数
  int cap = 1;
  while (cap < c){
      cap <<= 1;
  }
  // 给每个segment分配，loadFactor是分配因子
  for (int i=0; i < this.segments.length; ++i){
      this.segments[i] = new Segment<K, V>(cap, loadFactor);
  }
  

• 说明：segment的容量threshold = (int) cap * loadFactor，默认情况下initialCapacity等于16，loadfactory等于0.75。

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定位Segment

虽然segment里面分成了好多数组，但是每个put的元素插入哪个数组是hash决定的，而不是按照顺序来？答：对
还是说第一步找segment和第二步在segment里找数组都是用Hash做的？答：对

目的：要分段，就得在插入和获取元素的时候，先通过散列算法定位到Segment。

再散列：会显示用一个方法对hash值进行再散列，目的是减少散列冲突，是元素能够均匀地分布在不同的Segment上，从而提高容器的存取效率。

定位算法：
默认情况下segmentShift为28，segmentMask为15，下面hash最大32位，向右移动28位只比较高四位（只有四位有效，那为什么是高4位而不是低4位？还是说都一样？应该不一样，往右移动的话，只有右边四个有数字，此时用 & segmentMask，可以得到一个数值），segmentMask是四个1，也就是15，容器一共16个，也就是对15求余，可得出一个值（0-15）。

final Segment<K, V> segmentFor(int hash){
    return segments[(hash >>> segmentShift) & segmentMask];
}

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ConcurrentHashMap的操作

1. get操作：

• 源码：

  public V get(Object key){
      int hash = hash(key.hashCode());
      return segmentFor(hash).get(key, hash);
  }
  
  // 对比
  (hash >>> segmentShift) & segmentMask    // 定位segment所使用的hash算法
  int index = hash & (tab.length - 1);     // 定位HashEntry所使用的hash算法
  

• 说明：
  • 先经过一次再散列，然后通过这个散列定位到segment，然后再通过segment的散列算法定位到元素。
  • segment的定位有两个元素，一个hash，一个key，这个hash用来寻找segment中对应的HashEntry，然后用key在HashEntry中找到value。此处注意找segment和找HashEntry的hash方法不同，如上面的代码。作者说不取高位的目的是避免两次散列后的值相同（为啥会有这样的效果？）。
  • get的高效在于整个get过程不需要加锁，除非读到的值是空的才会加锁重读（不是安全的吗， 为什么这里要加锁？为什么会读到空值，没赋值？跟线程安全有什么关系？），因为get方法里要使用的共享变量都是volatile类型（segment大小字段和HashEntry里面的value），而volatile类型的读是可以多线程的，写的话只能单线程，如果两个线程同时修改和读volatile变量，也会因为JMM的happen before原则，先写再读。这是volatile替换锁的经典应用。

2. put操作：
因为是写入操作，所以为了线程安全要加锁，方法流程是先定位到Segment，然后在Segment里面进行插入，插入分两步，第一步判断是否要进行HashEntry的扩容，第二步是定位添加元素位置，加入到HashEntry中。

• 扩容判断：插入前检查Segment里的HashEntry数组是否超过容量（threshold），超过了就扩容。HashMap是插入后判断是否到头了，然后扩容，但是又可能扩了后又没有新元素插入。
• 如何扩容：先创建一个容量是原来两倍的数组（即一个大小为原来二倍的HashEntry），然后将原数组里的元素进行再散列插入到新数组中。为了高效，不会对整个容器扩容，只会对某个segmetn扩容。（数组的容量就是数组长度，容器就是全部segment包含的内容吧，对某个segmetn扩容是扩里面全部的HashEntry，还是只扩一个？）。

3. size操作：

• 方法：计算整个的大小，就要统计所有Segment里面的count然后求和，如果将所有操作锁住的话，效率会很低，再加上累加count的时候count变化的概率很小，所以就有了这种做法：先尝试两次不锁Sement的方式统计大小，如果统计过程中容器的count发生了变化，则采用加锁的方式计算。
• 判断容器变化：使用一个modCount变量，影响count的操作都会让该变量数值+1，所以统计size的时候比较前后的modCount就能知道容器大小是否发生变化。（妙啊，我还想着用CAS，但是CAS也没法保证经过之后count又变化了）。

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ConcurrentLinkedQueue

循环CAS不需要锁吗？

ConcurrentLinkedQueue是一种用非阻塞方式实现的线程安全队列。

ConcurrentLinkedQueue类图：
默认情况下head节点存储的元素为空，tail节点等于head节点。

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入队列

1. 入队列的过程：

• 介绍：就是将入队节点添加到队列的尾部。
• 过程图：
• 说明：入队跟普通的还挺不一样的，最重要的一点是：tail节点并不总是尾节点。入队分两步，第一步就是将入队的节点设置成尾节点的下一个，常规操作。第二步就得判断了，如果插入前tail节点后面还有个节点，那么插入后tail就指向新插入的节点（如插入元素2）；如果插入前tail节点就是最后一个节点，那么插入后tail不移动，并不指向最后一个节点（如插入元素3）。
• 源码：跟书上的不一样，实现变了，没看懂

    public boolean offer(E e) {
        checkNotNull(e);
        // 新建入队节点
        final Node<E> newNode = new Node<E>(e);
        // 死循环，p初始化指向tail，但p的意义是尾节点
        for (Node<E> t = tail, p = t;;) {
            // q是尾节点后面的点
            Node<E> q = p.next;
            if (q == null) {
                // q=null说明tail也是尾节点，此时应t=q
                // 用null来判断，如果又线程抢先插入，则p.next不为null，不执行
                // 那咋办？位置都不对了？
                if (p.casNext(null, newNode)) {
                    // p不等于t，说明在这之前其他线程做了插入工作
                    // 那么此时，tail后面已经不为空了，再插入一个点，tail就要指向最后一个了
                    if (p != t) // hop two nodes at a time
                        // 失败也没有关系，失败表示其他线程更新了tail
                        // （就是第二次操作也没抢到）
                        casTail(t, newNode);  // Failure is OK.
                    // 这里虽然tail不是自己更新的，但只要更新了就行，且节点已经插入了，
                    return true;
                }
                // Lost CAS race to another thread; re-read next
            }
            else if (p == q)
                // 只有一种情况，就是刚初始化，都为空
                p = (t != (t = tail)) ? t : head;
            else
                // q不为空的情况，tail的next的next不为空，按理来说tail应该是最后一个了
                // 这里说明在这之前又被插入了，后面多了（通过循环，来保证能让p和t是最后）
                // 如果tail不是最后一个，p是最后一个（合理），那么更新tail为最后一个，且p也是最后一个
                // 如果tail和p都是最后一个，p往后移一个
                // Check for tail updates after two hops.
                p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q;
        }
    }

• 书上源码：
• 说明：
  • 做了两件事，第一件事是定位出尾节点；第二是使用CAS算法将入队节点设置成尾节点的next节点，不成功就重试。
  • offer前被抢先offer怎么办？答：最后一个else解决。
  • 第二个else没看懂。答：下面说了

2. 定位尾节点：

• 找下一个节点代码：

3. 设置入队节点为尾节点：
如果不是null就说明其他线程更新了尾节点，需要重新获取当前队列的尾节点。

4. HOPS的设计意图：
就是为什么不把tail直接设置成尾节点？目的是为了提高效率，如果tail是尾节点，那么每次都要使用循环CAS更新tail节点。现在的方法让tail节点和尾节点距离大于一个常量才更新tail节点，这样CAS更新的次数就像少了。就是用更多的循环和判断来代替CAS写操作，虽然循环和判断多了些volatile读的操作（读tail），但是volatile读的开销远小于volatile写，所以总的入队效率还是提升了。

注意：入队方法返回的永远都是true。

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出队列

功能：从队列开头返回一个节点元素，并清空该节点对元素的引用。

特点：head的更新跟tail一样，也不是立马更新的。当出的时候，如果head指向里面有节点，那就移除这个节点，head不动；如果head指向为空，那么取出这个位置后面的节点，并让head指向next的next。目的也是为了减少CAS消耗。（头节点为空了，next怎么找？）

快照图：

源码：

public E poll() {
    restartFromHead:
    for (;;) {
        for (Node<E> h = head, p = h, q;;) {
            E item = p.item;

            if (item != null && p.casItem(item, null)) {
                // Successful CAS is the linearization point
                // for item to be removed from this queue.
                if (p != h) // hop two nodes at a time
                    updateHead(h, ((q = p.next) != null) ? q : p);
                return item;
            }
            else if ((q = p.next) == null) {
                updateHead(h, p);
                return null;
            }
            else if (p == q)
                continue restartFromHead;
            else
                p = q;
        }
    }
}

书上源码：

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Java中的阻塞队列

附加支持阻塞插入和移除方法的队列：

• 支持阻塞的插入方法：队列满时，队列会阻塞插入元素的线程，直到队列不满
• 支持阻塞移除的方法：当队列为空，获取元素的线程会等待队列变为非空

常用场景：生产者与消费者场景。

阻塞队列不可用时的四种处理方式：

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Java里的阻塞队列

ArrayBlockingQueue

特点：用数组实现的、有界阻塞队列、按先进先出原则排序、默认不保证线程公平。

公平性实现：
使用可重入锁实现的

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LinkedBlockingQueue

特点：用链表实现、有界阻塞、默认和最大长度为Integer.MAX_VALUE、按先进先出原则对元素排序。

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PriorityBlockingQueue

特点：支持优先级、*阻塞、自然顺序升序排序（就是放进来的顺序？）

指定排序规则：

• 自定义实现compareTo()方法来指定元素排序规则。
• 初始化时，指定构造参数Comparator来对元素进行排序。
• 注意：同优先级的元素排序不能保证

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DelayQueue

特点：支持延时获取元素、*阻塞、元素必须实现Delayed接口，指定过多久才能从队列中获取当前元素，只有到时间了才能获取到。

应用场景：

• 缓存系统的设计：可以用DelayQueue保存缓存元素的有效期，使线程循环查询，没到时间查不到，查到了说明缓存有效期到了。（那查到的不也是老的，不够新啊）
• 定时任务调度：使用DelayQueue保存当天会执行的任务和执行的时间。

如何实现Delayed接口：

• 第一步：初始化数组，使用time记录延迟到什么时候可以使用，使用sequenceNumber来标识元素在队列中的顺序。
  
• 第二步：实现getDelay方法，返回当前元素还需要延时多长时间，单位是纳秒。
  
• 第三步：实现compareTo来指定元素的顺序，下面的例子就是把延时时间最长的放在队列的末尾。
  

如何实现延时阻塞队列：

• 思路：当消费者从队列里获取元素时，如果没有达到延时时间，就阻塞线程
• 代码：
  
• 说明：先检查延迟，如果时间过了（返回为负），就取出队列头部元素；leader是一个等待获取队列头部元素的线程，如果不为空说明已经有线程在等待头部了，所以当前线程就要等待；如果为空的话，那么自己就能争取，把当前线程设为leader，然后使用延迟等待来设置唤醒时间。

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SynchronousQueue

特点：不存储元素、每一个put必须等待一个take（生产之前，要有消费者才行，没有就不生产，等着），否则不能添加元素、默认非公平

进出原则设置：

适用场景：

• 可以看成一个传球手，负责把生产者线程处理的数据直接传递给消费者线程，适用于传递性场景。
• SynchronousQueue的吞吐量高于LinkedBlockedQueue和ArrayBlockedQueue。

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LinkedTransferQueue

特点：由链表结构组成、*阻塞、多了tryTransfer和transfer方法。

transfer方法：

• 如果有消费者在等待接收元素，那么就立即把生产者传入的元素传输给消费者。
• 如果没有消费者在等待，该方法会把元素存放在队列的tail节点，并且在该元素被消费了才返回（不用就一直在这个方法里等着）。
• 代码：
  
• 代码说明：第一行是设置tail节点，第二行是自旋等待消费，会在一定次数后使用Thread.yield()方法暂停当前正在执行的线程。

tryTransfer方法：

• 试探生产者传入的元素能否直接传给消费者，有消费者接收就返回true，没有就返回false。

tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit)方法：

• 试图把生产者传入的元素直接传给消费者，如果指定时间内没消费就返回false，消费了就返回true。

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LinkedBlockingDeque

特点：由链表结构组成、双向阻塞、多了几个处理First/Last的方法、两个入口，线程竞争减少一半。

方法：add等同于addLast，remove等同于removeFirst。但take等同于takeFirst。

初始化：可以设置容量防止其过度膨胀。

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阻塞队列的实现原理

问题描述：如果队列为空，则消费者等待，如果后来队列插入了元素，那么消费者要怎么知道呢？（两种方法呗，要么一直查看，要么通知）。

使用通知模式实现：当生产者往满的队列里添加元素时会阻塞住生产者，当消费者消费了一个元素后，就会通知生产者当前队列可用。

源码：

private final Condition notFull;
private final Condition notEmpty;

// 构造函数，通过重入锁实现
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
    if (capacity <= 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    this.items = new Object[capacity];
    lock = new ReentrantLock(fair);
    notEmpty = lock.newCondition();
    notFull =  lock.newCondition();
}

public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        while (count == 0)
            notEmpty.await();
        return dequeue();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

public void put(E e) throws InterruptedException {
    checkNotNull(e);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        while (count == items.length)
            // 队列不可用，就要等待
            notFull.await();
        enqueue(e);
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

private void enqueue(E x) {
    // assert lock.getHoldCount() == 1;
    // assert items[putIndex] == null;
    final Object[] items = this.items;
    items[putIndex] = x;
    if (++putIndex == items.length)
        putIndex = 0;
    count++;
    // 在这里唤醒消费者的等待队列
    notEmpty.signal();
}

await()源码：
主要通过park来实现等待，注意先把节点放到Condition的同步队列里了，然后释放了同步状态，然后检查在不在同步队列，不在的话就暂停了。

park源码：
setBlocker的作用是保存一下要阻塞的线程，然后调用unsafe.park阻塞当前线程

public static void park(Object blocker) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    setBlocker(t, blocker);
    UNSAFE.park(false, 0L);
    setBlocker(t, null);
}

unsafe.park方法

public native void park(boolean isAbsolute, long time);

是个native方法，只有下面四种情况下，方法才会返回：

• 与park对应的unpark执行或已经执行。“已经执行”指的是unpark先执行，然后再执行park的情况。
• 线程被中断时。
• 等待完time参数指定的毫秒数时
• 异常现象发生时，这个异常现象没有任何原因。

unsafe.park代码：

流程梳理：以插入为例，阻塞队列自己本身有put方法，如果队列满了，那么会调用Condition类型的notFull的await()方法，这个方法主要做了三件事：将线程添加到条件队列、释放同步状态、使用park方法暂停当前线程，然后park方法将该线程保存起来后，调用native的unsafe.park方法。

线程状态：当线程被队列阻塞时，线程会进入WAITING状态。

WAITING和BLOCKED：

• 线程调用了wait、join、park函数时，会进入等待状态。
• 等待是啥也不干等通知，通知到了可以去做事情，比如竞争锁，失败就进入阻塞状态。
• 阻塞是不需要唤醒的，jvm来操作，有机会就上。
• 可能是等待通知起来比较方便，我知道A线程一定会阻塞，那么我不如让他进入等待，等我知道啥时候有机会了在通知A。