Java并發(fā)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)全解析：從ConcurrentHashMap到Phaser

今天 V 哥聊聊并發(fā)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的問題，我們知道，并發(fā)編程中，保障數(shù)據(jù)的安全訪問是第一要務(wù)，JDK 提供了一系列JUC并發(fā)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是線程安全的，可以在多線程環(huán)境中使用而無需額外的同步措施。以下是一些主要的并發(fā)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

1、ConcurrentHashMap

一個線程安全的哈希表，用于存儲鍵值對。它在內(nèi)部使用了分段鎖（Segment Locking）或其他形式的并發(fā)控制機(jī)制，允許多個線程并發(fā)讀寫，同時保持較高的性能。

ConcurrentHashMap 是 Java 并發(fā)編程中非常重要的一個線程安全的哈希表實現(xiàn)，它在 java.util.concurrent 包中。ConcurrentHashMap 允許并發(fā)讀和并發(fā)寫，旨在提供比同步的 HashMap 更高的并發(fā)性能。

實現(xiàn)原理：

1. 分段鎖（Segment Locking）：

在 JDK 1.7 及之前的版本中，ConcurrentHashMap 使用了分段鎖（Segment Locking）機(jī)制。整個哈希表被分割成多個段（Segment），每個段是一個小的哈希表，它們有自己的鎖。當(dāng)多個線程訪問不同段的數(shù)據(jù)時，它們可以并發(fā)執(zhí)行，因為每個段都有自己的鎖。

1. CAS 操作：

ConcurrentHashMap 使用了無鎖的 compare-and-swap（CAS）操作來更新數(shù)據(jù)，這進(jìn)一步提高了并發(fā)性能。

1. 讀取操作無鎖：

讀取操作通常不需要加鎖，因為 ConcurrentHashMap 的設(shè)計保證了讀取數(shù)據(jù)的可見性和一致性。

1. JDK 1.8 的改進(jìn)：

在 JDK 1.8 中，ConcurrentHashMap 的實現(xiàn)發(fā)生了變化，它取消了分段鎖，轉(zhuǎn)而使用了 synchronized 關(guān)鍵字來保護(hù)哈希表的節(jié)點(diǎn)（Node）。同時，它也引入了紅黑樹來處理哈希碰撞導(dǎo)致的鏈表過長的問題，提高了最壞情況下的性能。

作用：

ConcurrentHashMap 的主要作用是在多線程環(huán)境中提供高效的并發(fā)訪問。它適用于以下場景：

• 當(dāng)多個線程需要訪問同一個哈希表時，使用 ConcurrentHashMap 可以減少鎖競爭，提高并發(fā)性能。
• 在需要線程安全的集合操作時，ConcurrentHashMap 是一個性能優(yōu)于同步的 HashMap 的選擇。

示例代碼：

以下是一個簡單的 ConcurrentHashMap 使用示例：

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;


public class ConcurrentHashMapExample {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 創(chuàng)建一個ConcurrentHashMap
        ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();


        // 創(chuàng)建一個線程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);


        // 提交10個任務(wù)到線程池，每個任務(wù)都會更新ConcurrentHashMap
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            final int taskNumber = i;
            executor.submit(() -> {
                map.put("key" + taskNumber, taskNumber);
                System.out.println("Task " + taskNumber + " put value: " + map.get("key" + taskNumber));
            });
        }


        // 關(guān)閉線程池
        executor.shutdown();
        executor.awaitTermination(1, TimeUnit.MINUTES);
    }
}

在這個示例中，我們創(chuàng)建了一個 ConcurrentHashMap 并使用一個線程池來并發(fā)地更新它。每個任務(wù)都會向哈希表中插入一個鍵值對，并打印出對應(yīng)的值。由于 ConcurrentHashMap 是線程安全的，所以這個程序可以正確地運(yùn)行而不會出現(xiàn)并發(fā)問題。

解釋：

• ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();：創(chuàng)建了一個新的 ConcurrentHashMap 實例。
• ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);：創(chuàng)建了一個固定大小為10的線程池。
• executor.submit(() -> {...});：提交了一個 Runnable 任務(wù)到線程池，任務(wù)中更新了 ConcurrentHashMap。
• executor.shutdown(); 和 executor.awaitTermination(1, TimeUnit.MINUTES);：關(guān)閉線程池并等待所有任務(wù)完成。

這個示例展示了如何在多線程環(huán)境中安全地使用 ConcurrentHashMap。

實現(xiàn)原理的代碼分析：

ConcurrentHashMap 是 Java 中的一個線程安全的哈希表實現(xiàn)，用于存儲鍵值對。在 Java 1.8 之前，ConcurrentHashMap 使用了分段鎖機(jī)制，而在 Java 1.8 之后，它采用了更為高效的鎖分離技術(shù)。

Java 1.8 之前的實現(xiàn)原理：

在 Java 1.8 之前，ConcurrentHashMap 使用分段鎖（Segment Locking）機(jī)制。每個 Segment 是一個可重入的 ReentrantLock，它用于鎖定整個哈希表的一個部分。哈希表被分割成多個段，每個段有自己的鎖，因此可以同時進(jìn)行讀寫操作。

1. 分段鎖：

ConcurrentHashMap 使用分段鎖來保護(hù)多個哈希表段。每個段有一個自己的鎖，這使得在多線程環(huán)境中可以并發(fā)地讀寫不同的段。

1. 寫時復(fù)制：

在 Java 1.8 之前，ConcurrentHashMap 在進(jìn)行寫操作時，會復(fù)制整個段，而不是整個哈希表。這減少了加鎖的范圍，提高了并發(fā)性能。

Java 1.8 之后的實現(xiàn)原理：

在 Java 1.8 中，ConcurrentHashMap 的實現(xiàn)發(fā)生了變化，它取消了分段鎖，轉(zhuǎn)而使用了 synchronized 關(guān)鍵字來保護(hù)哈希表的節(jié)點(diǎn)（Node）。同時，它也引入了紅黑樹來處理哈希碰撞導(dǎo)致的鏈表過長的問題，提高了最壞情況下的性能。

1. 鎖分離：

在 Java 1.8 中，ConcurrentHashMap 使用了一種稱為“鎖分離”的技術(shù)。它將鎖的范圍縮小到鏈表的頭部節(jié)點(diǎn)，而不是整個哈希表或整個段。這減少了鎖競爭，提高了并發(fā)性能。

1. 紅黑樹：

為了提高哈希表的性能，ConcurrentHashMap 引入了紅黑樹。當(dāng)鏈表的長度超過某個閾值時，鏈表會被轉(zhuǎn)換為紅黑樹，這樣可以減少搜索時間，提高最壞情況下的性能。

代碼分析：

以下是 ConcurrentHashMap 類的一些關(guān)鍵方法的代碼分析：

• put(K key, V value)：這個方法用于向 ConcurrentHashMap 中添加一個鍵值對。

• get(Object key)：這個方法用于從 ConcurrentHashMap 中獲取與指定鍵關(guān)聯(lián)的值。

• remove(Object key)：這個方法用于從 ConcurrentHashMap 中移除與指定鍵關(guān)聯(lián)的鍵值對。

這些方法都使用了 synchronized 關(guān)鍵字來保護(hù)哈希表的節(jié)點(diǎn)。在 Java 1.8 之前，這些方法會使用分段鎖來保護(hù)整個段。而在 Java 1.8 之后，這些方法會使用鎖分離技術(shù)來保護(hù)鏈表的頭部節(jié)點(diǎn)。

這個示例展示了如何在多線程環(huán)境中使用 ConcurrentHashMap 來安全地進(jìn)行鍵值對的添加、獲取和移除操作。由于 ConcurrentHashMap 是線程安全的，所以這個程序可以正確地運(yùn)行而不會出現(xiàn)并發(fā)問題。

2、CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList是一個線程安全的列表，它在進(jìn)行修改操作（如添加、刪除元素）時會創(chuàng)建底層數(shù)組的一個新副本，從而實現(xiàn)讀寫分離。適用于讀多寫少的場景。

實現(xiàn)原理：

CopyOnWriteArrayList 是一個線程安全的變體，其中所有對列表的修改（添加、刪除、設(shè)置元素等）都是在底層數(shù)組的一個副加上進(jìn)行的。這意味著在修改操作發(fā)生時，會創(chuàng)建一個新的數(shù)組，并將現(xiàn)有的所有元素復(fù)制到新數(shù)組中，然后在新數(shù)組上進(jìn)行修改。完成修改后，再將內(nèi)部引用指向新數(shù)組。由于寫操作是在新數(shù)組上進(jìn)行的，讀操作可以安全地訪問舊數(shù)組，而不會受到寫操作的干擾。

1. 寫時復(fù)制（Copy-On-Write）：

這是 CopyOnWriteArrayList 的核心原理。在發(fā)生寫操作時，不直接修改原有數(shù)組，而是復(fù)制出一個新數(shù)組，修改完成后，再將內(nèi)部引用指向新數(shù)組。

1. 讀取操作無鎖：

由于讀操作不需要修改數(shù)組，它們可以安全地讀取當(dāng)前的數(shù)組，而不需要任何鎖。這提高了讀取操作的并發(fā)性能。

1. 寫操作加鎖：

為了確保寫操作的原子性和一致性，寫操作需要加鎖。這是通過在修改方法（如 add, remove, set）中使用 ReentrantLock 實現(xiàn)的。

作用：

CopyOnWriteArrayList 的主要作用是在讀多寫少的場景中提供線程安全的列表操作，同時盡量減少讀操作的鎖競爭。它適用于以下場景：

• 當(dāng)你需要一個列表，其中大多數(shù)操作是讀取操作，而寫操作相對較少時。
• 當(dāng)你可以在發(fā)生寫操作時接受一定的性能開銷，因為你需要復(fù)制整個底層數(shù)組。

示例代碼：

以下是一個簡單的 CopyOnWriteArrayList 使用示例：

import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;


public class CopyOnWriteArrayListExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 創(chuàng)建一個CopyOnWriteArrayList
        CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();


        // 添加元素
        list.add("A");
        list.add("B");
        list.add("C");


        // 創(chuàng)建一個線程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);


        // 提交一個任務(wù)到線程池，該任務(wù)會修改CopyOnWriteArrayList
        executor.submit(() -> {
            list.add("D");
            list.remove("A");
        });


        // 提交另一個任務(wù)到線程池，該任務(wù)會讀取CopyOnWriteArrayList
        executor.submit(() -> {
            for (String element : list) {
                System.out.println(element);
            }
        });


        // 關(guān)閉線程池
        executor.shutdown();
    }
}

在這個示例中，我們創(chuàng)建了一個 CopyOnWriteArrayList 并使用一個線程池來并發(fā)地修改和讀取它。一個任務(wù)嘗試添加和刪除元素，而另一個任務(wù)遍歷列表并打印所有元素。由于 CopyOnWriteArrayList 是線程安全的，所以這個程序可以正確地運(yùn)行而不會出現(xiàn)并發(fā)問題。

解釋：

• CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();：創(chuàng)建了一個新的 CopyOnWriteArrayList 實例。
• list.add("A"); 和 list.remove("A");：添加和刪除元素的操作。
• ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);：創(chuàng)建了一個大小為2的線程池。
• executor.submit(() -> {...});：提交了一個 Runnable 任務(wù)到線程池，任務(wù)中修改了 CopyOnWriteArrayList。
• for (String element : list) {...}：遍歷列表并打印元素。
• executor.shutdown();：關(guān)閉線程池。

這個示例展示了如何在多線程環(huán)境中使用 CopyOnWriteArrayList 來安全地進(jìn)行讀寫操作。由于寫操作相對昂貴（因為需要復(fù)制數(shù)組），所以 CopyOnWriteArrayList 適用于讀多寫少的場景。

代碼分析：

以下是 CopyOnWriteArrayList 類的一些關(guān)鍵方法的代碼分析：

• add(E e)：這個方法用于向 CopyOnWriteArrayList 中添加一個元素。

• get(int index)：這個方法用于從 CopyOnWriteArrayList 中獲取指定索引的元素。

• set(int index, E element)：這個方法用于將指定索引的元素設(shè)置為新元素。

• remove(int index)：這個方法用于從 CopyOnWriteArrayList 中移除指定索引的元素。

這些方法都使用了原子操作來更新數(shù)據(jù)，并確保了線程安全。在 add、set 和 remove 方法中，會創(chuàng)建一個新數(shù)組，并將現(xiàn)有元素復(fù)制到新數(shù)組中，然后修改新數(shù)組。完成修改后，再將內(nèi)部引用指向新數(shù)組。

3、CopyOnWriteArraySet

與 CopyOnWriteArrayList 類似，但它存儲的是不包含重復(fù)元素的集合。

實現(xiàn)原理：

CopyOnWriteArraySet 是一個線程安全的變體，其中所有對集合的修改（添加、刪除元素等）都是在底層數(shù)組的一個副加上進(jìn)行的。這意味著在修改操作發(fā)生時，會創(chuàng)建一個新的數(shù)組，然后將現(xiàn)有的所有元素復(fù)制到新數(shù)組中，并在新數(shù)組上進(jìn)行修改。完成修改后，再將內(nèi)部引用指向新數(shù)組。由于寫操作是在新數(shù)組上進(jìn)行的，讀操作可以安全地訪問舊數(shù)組，而不會受到寫操作的干擾。

1. 寫時復(fù)制（Copy-On-Write）：

這是 CopyOnWriteArraySet 的核心原理。在發(fā)生寫操作時，不直接修改原有數(shù)組，而是復(fù)制出一個新數(shù)組，修改完成后，再將內(nèi)部引用指向新數(shù)組。

1. 讀取操作無鎖：

由于讀操作不需要修改數(shù)組，它們可以安全地讀取當(dāng)前的數(shù)組，而不需要任何鎖。這提高了讀取操作的并發(fā)性能。

1. 寫操作加鎖：

為了確保寫操作的原子性和一致性，寫操作需要加鎖。這是通過在修改方法（如 add, remove）中使用 ReentrantLock 實現(xiàn)的。

作用：

CopyOnWriteArraySet 的主要作用是在讀多寫少的場景中提供線程安全的集合操作，同時盡量減少讀操作的鎖競爭。它適用于以下場景：

• 當(dāng)你需要一個集合，其中大多數(shù)操作是讀取操作，而寫操作相對較少時。
• 當(dāng)你可以在發(fā)生寫操作時接受一定的性能開銷，因為你需要復(fù)制整個底層數(shù)組。
• 當(dāng)你需要一個不允許有重復(fù)元素的集合時。

示例代碼：

以下是一個簡單的 CopyOnWriteArraySet 使用示例：

import java.util.concurrent.CopyOnWriteArraySet;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;


public class CopyOnWriteArraySetExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 創(chuàng)建一個CopyOnWriteArraySet
        CopyOnWriteArraySet<String> set = new CopyOnWriteArraySet<>();


        // 添加元素
        set.add("A");
        set.add("B");
        set.add("C");


        // 創(chuàng)建一個線程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);


        // 提交一個任務(wù)到線程池，該任務(wù)會修改CopyOnWriteArraySet
        executor.submit(() -> {
            set.add("D");
            set.remove("A");
        });


        // 提交另一個任務(wù)到線程池，該任務(wù)會讀取CopyOnWriteArraySet
        executor.submit(() -> {
            for (String element : set) {
                System.out.println(element);
            }
        });


        // 關(guān)閉線程池
        executor.shutdown();
    }
}

在這個示例中，我們創(chuàng)建了一個 CopyOnWriteArraySet 并使用一個線程池來并發(fā)地修改和讀取它。一個任務(wù)嘗試添加和刪除元素，而另一個任務(wù)遍歷集合并打印所有元素。由于 CopyOnWriteArraySet 是線程安全的，所以這個程序可以正確地運(yùn)行而不會出現(xiàn)并發(fā)問題。

解釋：

• CopyOnWriteArraySet<String> set = new CopyOnWriteArraySet<>();：創(chuàng)建了一個新的 CopyOnWriteArraySet 實例。
• set.add("A"); 和 set.remove("A");：添加和刪除元素的操作。
• ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);：創(chuàng)建了一個大小為2的線程池。
• executor.submit(() -> {...});：提交了一個 Runnable 任務(wù)到線程池，任務(wù)中修改了 CopyOnWriteArraySet。
• for (String element : set) {...}：遍歷集合并打印元素。
• executor.shutdown();：關(guān)閉線程池。

這個示例展示了如何在多線程環(huán)境中使用 CopyOnWriteArraySet 來安全地進(jìn)行讀寫操作。由于寫操作相對昂貴（因為需要復(fù)制數(shù)組），所以 CopyOnWriteArraySet 適用于讀多寫少的場景，并且需要集合中元素不重復(fù)的特性。

代碼分析：

以下是 CopyOnWriteArraySet 類的一些關(guān)鍵方法的代碼分析：

• add(E e)：這個方法用于向 CopyOnWriteArraySet 中添加一個元素。

• contains(Object o)：這個方法用于檢查集合中是否包含指定元素。

• size()：這個方法用于獲取集合中元素的數(shù)量。

• clear()：這個方法用于清空集合中的所有元素。

這些方法都使用了原子操作來更新數(shù)據(jù)，并確保了線程安全。在 add 方法中，會創(chuàng)建一個新數(shù)組，并將現(xiàn)有元素復(fù)制到新數(shù)組中。如果新數(shù)組中已經(jīng)存在相同的元素，則不會添加該元素。完成修改后，再將內(nèi)部引用指向新數(shù)組。

4、ConcurrentLinkedQueue

一個線程安全的無界非阻塞隊列，基于鏈表實現(xiàn)。它使用原子操作來保證線程安全，適合在高并發(fā)環(huán)境下使用。

實現(xiàn)原理：

ConcurrentLinkedQueue 是一個基于鏈表實現(xiàn)的線程安全的無界非阻塞隊列。它使用原子操作來保證線程安全，適合在高并發(fā)環(huán)境下使用。

1. 非阻塞隊列：

ConcurrentLinkedQueue 實現(xiàn)了 Queue 接口，提供了一組原子操作來支持隊列的基本功能，如入隊（offer）、出隊（poll）等，這些操作都是非阻塞的。

1. 無界隊列：

ConcurrentLinkedQueue 沒有容量限制，理論上可以無限增長，直到耗盡內(nèi)存。

1. 原子操作：

ConcurrentLinkedQueue 使用了 compare-and-swap（CAS）操作來更新鏈表節(jié)點(diǎn)，這保證了在多線程環(huán)境下的線程安全。

1. 無鎖算法：

ConcurrentLinkedQueue 使用了無鎖算法，避免了鎖競爭帶來的性能開銷。

作用：

ConcurrentLinkedQueue 的主要作用是在多線程環(huán)境中提供一個高效且線程安全的隊列。它適用于以下場景：

• 當(dāng)你需要一個高并發(fā)隊列，且隊列的容量不需要事先確定時。
• 當(dāng)你希望在隊列操作中避免鎖競爭和阻塞時。

示例代碼：

以下是一個簡單的 ConcurrentLinkedQueue 使用示例：

import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;


public class ConcurrentLinkedQueueExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 創(chuàng)建一個ConcurrentLinkedQueue
        ConcurrentLinkedQueue<Integer> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();


        // 創(chuàng)建一個線程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);


        // 提交任務(wù)到線程池，生產(chǎn)者線程
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            final int taskNumber = i;
            executor.submit(() -> {
                queue.offer(taskNumber);
                System.out.println("Task " + taskNumber + " added to queue");
            });
        }


        // 提交任務(wù)到線程池，消費(fèi)者線程
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            executor.submit(() -> {
                Integer element = queue.poll();
                if (element != null) {
                    System.out.println("Task " + element + " removed from queue");
                }
            });
        }


        // 關(guān)閉線程池
        executor.shutdown();
    }
}

在這個示例中，我們創(chuàng)建了一個 ConcurrentLinkedQueue 并使用一個線程池來模擬生產(chǎn)者和消費(fèi)者。生產(chǎn)者線程向隊列中添加元素，而消費(fèi)者線程從隊列中移除元素。由于 ConcurrentLinkedQueue 是線程安全的，所以這個程序可以正確地運(yùn)行而不會出現(xiàn)并發(fā)問題。

解釋：

• ConcurrentLinkedQueue<Integer> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();：創(chuàng)建了一個新的 ConcurrentLinkedQueue 實例。
• queue.offer(taskNumber);：生產(chǎn)者線程將元素添加到隊列尾部。
• Integer element = queue.poll();：消費(fèi)者線程從隊列頭部移除元素。
• ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);：創(chuàng)建了一個大小為10的線程池。
• executor.submit(() -> {...});：提交了生產(chǎn)者和消費(fèi)者任務(wù)到線程池。
• executor.shutdown();：關(guān)閉線程池。

這個示例展示了如何在多線程環(huán)境中使用 ConcurrentLinkedQueue 來安全地進(jìn)行生產(chǎn)者和消費(fèi)者操作。由于 ConcurrentLinkedQueue 是無界的且非阻塞的，它適合用于生產(chǎn)者和消費(fèi)者數(shù)量不固定，或者需要高并發(fā)處理的場景。

代碼分析：

以下是 ConcurrentLinkedQueue 類的一些關(guān)鍵方法的代碼分析：

• offer(E e)：這個方法用于向 ConcurrentLinkedQueue 中添加一個元素。如果隊列已滿，該方法將返回 false。

• poll()：這個方法用于從 ConcurrentLinkedQueue 中移除并返回第一個元素。如果隊列為空，該方法將返回 null。

• peek()：這個方法用于返回 ConcurrentLinkedQueue 中第一個元素，但不從隊列中移除它。如果隊列為空，該方法將返回 null。

• size()：這個方法用于返回 ConcurrentLinkedQueue 中元素的數(shù)量。

這些方法都使用了原子操作來更新鏈表節(jié)點(diǎn)，并確保了線程安全。在 offer 方法中，會使用 CAS 操作將新元素添加到鏈表的尾部。在 poll 方法中，會使用 CAS 操作從鏈表的頭部移除元素。

5、ConcurrentLinkedDeque

一個線程安全的雙端隊列，也是基于鏈表實現(xiàn)，適用于需要從兩端插入和刪除元素的場景。

實現(xiàn)原理：

ConcurrentLinkedDeque 是一個基于鏈表實現(xiàn)的線程安全的雙端隊列。它支持在隊列的首尾進(jìn)行插入和刪除操作，并且是線程安全的。

1. 雙端隊列：

ConcurrentLinkedDeque 實現(xiàn)了 Deque 接口，提供了一組原子操作來支持雙端隊列的基本功能，如從頭部插入（addFirst）、從尾部插入（addLast）、從頭部移除（removeFirst）、從尾部移除（removeLast）等。

1. 無界隊列：

ConcurrentLinkedDeque 沒有容量限制，理論上可以無限增長，直到耗盡內(nèi)存。

1. 原子操作：

ConcurrentLinkedDeque 使用了 compare-and-swap（CAS）操作來更新鏈表節(jié)點(diǎn)，這保證了在多線程環(huán)境下的線程安全。

1. 無鎖算法：

ConcurrentLinkedDeque 使用了無鎖算法，避免了鎖競爭帶來的性能開銷。

作用：

ConcurrentLinkedDeque 的主要作用是在多線程環(huán)境中提供一個高效且線程安全的雙端隊列。它適用于以下場景：

• 當(dāng)你需要一個雙端隊列，且隊列的容量不需要事先確定時。
• 當(dāng)你希望在隊列操作中避免鎖競爭和阻塞時。
• 當(dāng)你需要從隊列的首尾都可以進(jìn)行插入和刪除操作時。

示例代碼：

以下是一個簡單的 ConcurrentLinkedDeque 使用示例：

import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedDeque;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;


public class ConcurrentLinkedDequeExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 創(chuàng)建一個ConcurrentLinkedDeque
        ConcurrentLinkedDeque<String> deque = new ConcurrentLinkedDeque<>();


        // 創(chuàng)建一個線程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);


        // 提交任務(wù)到線程池，生產(chǎn)者線程
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            final int taskNumber = i;
            executor.submit(() -> {
                deque.addFirst("Task " + taskNumber);
                System.out.println("Task " + taskNumber + " added to the front of the deque");
            });
        }


        // 提交任務(wù)到線程池，消費(fèi)者線程
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            executor.submit(() -> {
                String element = deque.removeLast();
                if (element != null) {
                    System.out.println(element + " removed from the end of the deque");
                }
            });
        }


        // 關(guān)閉線程池
        executor.shutdown();
    }
}

在這個示例中，我們創(chuàng)建了一個 ConcurrentLinkedDeque 并使用一個線程池來模擬生產(chǎn)者和消費(fèi)者。生產(chǎn)者線程向隊列的頭部添加元素，而消費(fèi)者線程從隊列的尾部移除元素。由于 ConcurrentLinkedDeque 是線程安全的，所以這個程序可以正確地運(yùn)行而不會出現(xiàn)并發(fā)問題。

解釋：

• ConcurrentLinkedDeque<String> deque = new ConcurrentLinkedDeque<>();：創(chuàng)建了一個新的 ConcurrentLinkedDeque 實例。
• deque.addFirst("Task " + taskNumber);：生產(chǎn)者線程將元素添加到隊列的頭部。
• String element = deque.removeLast();：消費(fèi)者線程從隊列的尾部移除元素。
• ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);：創(chuàng)建了一個大小為10的線程池。
• executor.submit(() -> {...});：提交了生產(chǎn)者和消費(fèi)者任務(wù)到線程池。
• executor.shutdown();：關(guān)閉線程池。

這個示例展示了如何在多線程環(huán)境中使用 ConcurrentLinkedDeque 來安全地進(jìn)行生產(chǎn)者和消費(fèi)者操作。由于 ConcurrentLinkedDeque 是無界的且非阻塞的，它適合用于生產(chǎn)者和消費(fèi)者數(shù)量不固定，或者需要高并發(fā)處理的場景，并且需要雙端隊列的特性。

代碼分析：

以下是 ConcurrentLinkedDeque 類的一些關(guān)鍵方法的代碼分析：

• addFirst(E e)：這個方法用于在 ConcurrentLinkedDeque 的頭部添加一個元素。

• addLast(E e)：這個方法用于在 ConcurrentLinkedDeque 的尾部添加一個元素。

• removeFirst()：這個方法用于從 ConcurrentLinkedDeque 的頭部移除并返回第一個元素。如果隊列為空，該方法將返回 null。

• removeLast()：這個方法用于從 ConcurrentLinkedDeque 的尾部移除并返回最后一個元素。如果隊列為空，該方法將返回 null。

這些方法都使用了原子操作來更新鏈表節(jié)點(diǎn)，并確保了線程安全。在 addFirst 和 addLast 方法中，會使用 CAS 操作將新元素添加到鏈表的頭部或尾部。在 removeFirst 和 removeLast 方法中，會使用 CAS 操作從鏈表的頭部或尾部移除元素。

6、BlockingQueue 接口及其實現(xiàn)類

（如 ArrayBlockingQueue, LinkedBlockingQueue, PriorityBlockingQueue 等）提供了線程安全的隊列操作，支持阻塞的插入和獲取操作。當(dāng)隊列滿時，插入操作會阻塞；當(dāng)隊列空時，獲取操作會阻塞。

實現(xiàn)原理：

BlockingQueue 是一個支持阻塞操作的隊列。當(dāng)隊列滿時，插入操作會阻塞；當(dāng)隊列空時，獲取操作會阻塞。它實現(xiàn)了生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式，用于線程間的數(shù)據(jù)共享。

1. 阻塞操作：

BlockingQueue 提供了阻塞的 put 和 take 方法，這些方法在隊列滿或空時會使線程進(jìn)入等待狀態(tài)，直到隊列有空閑空間或數(shù)據(jù)可用。

1. 同步機(jī)制：

BlockingQueue 的實現(xiàn)類通常使用鎖（如 ReentrantLock）和條件變量（如 Condition）來實現(xiàn)線程同步。

1. 容量限制：

BlockingQueue 通常有固定的容量限制，但也有一些實現(xiàn)（如 LinkedBlockingQueue）允許指定最大容量，如果沒有指定，則默認(rèn)為 Integer.MAX_VALUE。

作用：

BlockingQueue 的主要作用是在多線程環(huán)境中提供一個線程安全的隊列，用于生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間的數(shù)據(jù)傳遞。它適用于以下場景：

• 當(dāng)你需要一個有界或無界隊列，并且希望在隊列滿或空時阻塞線程時。
• 當(dāng)你希望在生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間實現(xiàn)同步時。

示例代碼：

以下是一個簡單的 BlockingQueue 使用示例，使用 ArrayBlockingQueue 作為實現(xiàn)：

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;


public class BlockingQueueExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 創(chuàng)建一個容量為10的ArrayBlockingQueue
        BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<>(10);


        // 創(chuàng)建一個線程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);


        // 提交生產(chǎn)者任務(wù)到線程池
        executor.submit(() -> {
            try {
                for (int i = 0; i < 20; i++) {
                    queue.put("Task " + i);
                    System.out.println("Task " + i + " added to the queue");
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        });


        // 提交消費(fèi)者任務(wù)到線程池
        executor.submit(() -> {
            try {
                for (int i = 0; i < 20; i++) {
                    String task = queue.take();
                    System.out.println(task + " removed from the queue");
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        });


        // 關(guān)閉線程池
        executor.shutdown();
    }
}

在這個示例中，我們創(chuàng)建了一個 ArrayBlockingQueue 并使用一個線程池來模擬生產(chǎn)者和消費(fèi)者。生產(chǎn)者線程向隊列中添加元素，而消費(fèi)者線程從隊列中移除元素。由于 ArrayBlockingQueue 是線程安全的，所以這個程序可以正確地運(yùn)行而不會出現(xiàn)并發(fā)問題。

解釋：

• BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<>(10);：創(chuàng)建了一個容量為10的 ArrayBlockingQueue 實例。
• queue.put("Task " + i);：生產(chǎn)者線程將元素添加到隊列中，如果隊列已滿，則線程會阻塞。
• String task = queue.take();：消費(fèi)者線程從隊列中移除元素，如果隊列空，則線程會阻塞。
• ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);：創(chuàng)建了一個大小為2的線程池。
• executor.submit(() -> {...});：提交了生產(chǎn)者和消費(fèi)者任務(wù)到線程池。
• executor.shutdown();：關(guān)閉線程池。

這個示例展示了如何在多線程環(huán)境中使用 BlockingQueue 來安全地進(jìn)行生產(chǎn)者和消費(fèi)者操作。由于 ArrayBlockingQueue 是有界的，它在隊列滿時會阻塞生產(chǎn)者，在隊列空時會阻塞消費(fèi)者，適合用于需要阻塞隊列的場景。

代碼分析：

以下是 BlockingQueue 接口的一些關(guān)鍵方法的代碼分析：

• put(E e)：這個方法用于向 BlockingQueue 中添加一個元素。如果隊列已滿，該方法會阻塞，直到隊列有空閑空間。

• take()：這個方法用于從 BlockingQueue 中移除并返回第一個元素。如果隊列為空，該方法會阻塞，直到隊列有數(shù)據(jù)可用。

• offer(E e)：這個方法用于向 BlockingQueue 中添加一個元素。如果隊列已滿，該方法將返回 false。

• poll(long timeout, TimeUnit unit)：這個方法用于從 BlockingQueue 中移除并返回第一個元素。如果隊列為空，該方法將在指定的時間內(nèi)阻塞，如果超時則返回 null。

這些方法都使用了鎖和條件變量來實現(xiàn)線程同步。在 put 和 offer 方法中，會使用鎖來保護(hù)隊列，并使用條件變量來阻塞線程。在 take 和 poll 方法中，會使用鎖來保護(hù)隊列，并使用條件變量來喚醒等待的線程。

7、ConcurrentSkipListMap 和 ConcurrentSkipListSet

分別是線程安全的有序映射和有序集，基于跳表（Skip List）實現(xiàn)，提供了高效的查找、插入和刪除操作。

實現(xiàn)原理：

ConcurrentSkipListMap 是一個線程安全的有序映射，它基于跳表（Skip List）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。跳表是一種平衡樹結(jié)構(gòu)，它結(jié)合了紅黑樹和有序鏈表的特點(diǎn)，提供了一種高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)行快速的查找、插入和刪除操作。

1. 跳表結(jié)構(gòu)：

跳表包含多層索引，每一層索引都是有序的鏈表。最底層是最簡單的有序鏈表，高層索引包含指向下一層索引的指針。通過這些指針，可以快速跳過大量節(jié)點(diǎn)，從而提高查找、插入和刪除操作的效率。

1. 線程安全：

ConcurrentSkipListMap 使用 ReentrantLock 來保證線程安全。當(dāng)多個線程同時進(jìn)行修改操作時，它們會競爭鎖。

1. 讀取操作無鎖：

讀取操作（如 get）通常不需要加鎖，因為跳表的結(jié)構(gòu)保證了讀取操作的可見性和一致性。 作用：

ConcurrentSkipListMap 的主要作用是在多線程環(huán)境中提供高效的并發(fā)訪問，同時保持元素的自然順序。它適用于以下場景：

• 當(dāng)你需要一個線程安全的有序映射，且需要在多線程環(huán)境中進(jìn)行頻繁的讀寫操作時。
• 當(dāng)你需要根據(jù)元素的自然順序進(jìn)行快速查找、插入和刪除操作時。

示例代碼：

以下是一個簡單的 ConcurrentSkipListMap 使用示例：

import java.util.concurrent.ConcurrentSkipListMap;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;


public class ConcurrentSkipListMapExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 創(chuàng)建一個ConcurrentSkipListMap
        ConcurrentSkipListMap<String, Integer> map = new ConcurrentSkipListMap<>();


        // 創(chuàng)建一個線程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);


        // 提交任務(wù)到線程池，生產(chǎn)者線程
        executor.submit(() -> {
            for (int i = 0; i < 20; i++) {
                map.put("Key " + i, i);
                System.out.println("Task " + i + " added to the map");
            }
        });


        // 提交任務(wù)到線程池，消費(fèi)者線程
        executor.submit(() -> {
            for (int i = 0; i < 20; i++) {
                Integer value = map.get("Key " + i);
                if (value != null) {
                    System.out.println("Task " + value + " found in the map");
                }
            }
        });


        // 關(guān)閉線程池
        executor.shutdown();
    }
}

在這個示例中，我們創(chuàng)建了一個 ConcurrentSkipListMap 并使用一個線程池來模擬生產(chǎn)者和消費(fèi)者。生產(chǎn)者線程向映射中添加元素，而消費(fèi)者線程從映射中查找元素。由于 ConcurrentSkipListMap 是線程安全的，所以這個程序可以正確地運(yùn)行而不會出現(xiàn)并發(fā)問題。

解釋：

• ConcurrentSkipListMap<String, Integer> map = new ConcurrentSkipListMap<>();：創(chuàng)建了一個新的 ConcurrentSkipListMap 實例。
• map.put("Key " + i, i);：生產(chǎn)者線程將鍵值對添加到映射中。
• Integer value = map.get("Key " + i);：消費(fèi)者線程從映射中查找特定鍵對應(yīng)的值。
• ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);：創(chuàng)建了一個大小為2的線程池。
• executor.submit(() -> {...});：提交了生產(chǎn)者和消費(fèi)者任務(wù)到線程池。
• executor.shutdown();：關(guān)閉

代碼分析：

以下是 ConcurrentSkipListMap 和 ConcurrentSkipListSet 類的一些關(guān)鍵方法的代碼分析：

1. ConcurrentSkipListMap 類：
   • put(K key, V value)：這個方法用于向 ConcurrentSkipListMap 中添加一個鍵值對。
   • get(Object key)：這個方法用于從 ConcurrentSkipListMap 中獲取與指定鍵關(guān)聯(lián)的值。
   • remove(Object key)：這個方法用于從 ConcurrentSkipListMap 中移除與指定鍵關(guān)聯(lián)的鍵值對。

這些方法都使用了 ReentrantLock 來保護(hù)跳表的修改操作，并確保線程安全。在 put、get 和 remove 方法中，會使用跳表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行查找、插入和刪除操作。

1. ConcurrentSkipListSet 類：
   • add(E e)：這個方法用于向 ConcurrentSkipListSet 中添加一個元素。
   • contains(Object o)：這個方法用于檢查集合中是否包含指定元素。
   • remove(Object o)：這個方法用于從 ConcurrentSkipListSet 中移除指定元素。

這些方法同樣使用了 ReentrantLock 來保護(hù)跳表的修改操作，并確保線程安全。在 add、contains 和 remove 方法中，會使用跳表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行查找、插入和刪除操作。

8、CountDownLatch

一個同步輔助類，允許一個或多個線程等待其他線程完成操作，可用于實現(xiàn)并發(fā)同步。

實現(xiàn)原理：

CountDownLatch 是一個同步輔助類，用于實現(xiàn)線程之間的等待/通知模式。它允許一個或多個線程等待直到一系列操作在其他線程中完成。

1. 計數(shù)器：

CountDownLatch 使用一個計數(shù)器來跟蹤完成操作的線程數(shù)量。初始時，計數(shù)器的值等于線程的數(shù)量。

1. 阻塞等待：

當(dāng)調(diào)用 CountDownLatch 的 await 方法時，當(dāng)前線程會阻塞，直到計數(shù)器值為零。

1. 計數(shù)器遞減：

其他線程通過調(diào)用 CountDownLatch 的 countDown 方法來遞減計數(shù)器的值。每個線程在完成自己的操作后調(diào)用此方法。

作用：

CountDownLatch 的主要作用是在多線程環(huán)境中提供一個同步點(diǎn)，使得主線程可以等待其他線程完成各自的任務(wù)后再繼續(xù)執(zhí)行。它適用于以下場景：

• 當(dāng)你需要等待多個線程完成各自的任務(wù)后，才能繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)操作時。
• 當(dāng)你需要確保所有線程都完成了自己的任務(wù)，再進(jìn)行下一步操作時。

示例代碼：

以下是一個簡單的 CountDownLatch 使用示例：

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;


public class CountDownLatchExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 創(chuàng)建一個CountDownLatch，初始值為5
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(5);


        // 創(chuàng)建一個線程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);


        // 提交任務(wù)到線程池，每個任務(wù)都會遞減latch的計數(shù)器
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            final int taskNumber = i;
            executor.submit(() -> {
                System.out.println("Task " + taskNumber + " is running");
                latch.countDown();
                System.out.println("Task " + taskNumber + " is completed");
            });
        }


        // 主線程等待latch的計數(shù)器歸零后繼續(xù)執(zhí)行
        try {
            latch.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }


        System.out.println("All tasks are completed, main thread continues");


        // 關(guān)閉線程池
        executor.shutdown();
    }
}

在這個示例中，我們創(chuàng)建了一個 CountDownLatch 并使用一個線程池來模擬5個并發(fā)任務(wù)。每個任務(wù)在完成自己的操作后都會遞減 CountDownLatch 的計數(shù)器。主線程在調(diào)用 latch.await() 方法時會阻塞，直到計數(shù)器歸零。當(dāng)所有任務(wù)完成后，主線程繼續(xù)執(zhí)行。

解釋：

• CountDownLatch latch = new CountDownLatch(5);：創(chuàng)建了一個初始值為5的 CountDownLatch 實例。
• latch.countDown();：每個線程在完成任務(wù)后調(diào)用此方法遞減計數(shù)器的值。
• latch.await();：主線程在調(diào)用此方法時會阻塞，直到計數(shù)器的值為零。
• ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);：創(chuàng)建了一個大小為5的線程池。
• executor.submit(() -> {...});：提交了5個任務(wù)到線程池。
• executor.shutdown();：關(guān)閉線程池。

這個示例展示了如何在多線程環(huán)境中使用 CountDownLatch 來確保主線程等待所有子線程完成任務(wù)后再繼續(xù)執(zhí)行。由于 CountDownLatch 提供了線程間的同步點(diǎn)，它適合用于需要等待多個線程完成任務(wù)的場景。

代碼分析：

以下是 CountDownLatch 類的一些關(guān)鍵方法的代碼分析：

• CountDownLatch(int count)： 這個構(gòu)造方法用于創(chuàng)建一個 CountDownLatch 對象，并初始化計數(shù)器的值。

• await()： 這個方法用于使當(dāng)前線程等待，直到計數(shù)器的值為零。如果計數(shù)器的值不為零，當(dāng)前線程會阻塞。

• countDown()： 這個方法用于遞減計數(shù)器的值。每個線程在完成自己的操作后調(diào)用此方法。

• getCount()： 這個方法用于獲取當(dāng)前計數(shù)器的值。

• isLatchOpen()： 這個方法用于檢查計數(shù)器的值是否為零。如果計數(shù)器的值為零，則返回 true，否則返回 false。

這些方法都使用了 Object 類的 wait() 和 notify() 方法來實現(xiàn)線程間的同步。當(dāng)線程到達(dá) await 方法時，它會調(diào)用 wait() 方法，這會導(dǎo)致線程進(jìn)入等待狀態(tài)。當(dāng)其他線程調(diào)用 countDown() 方法并遞減計數(shù)器的值時，會調(diào)用 notify() 方法來喚醒等待的線程。

9、CyclicBarrier

一個允許一組線程互相等待的同步輔助類，直到所有線程都達(dá)到某個屏障點(diǎn)后才繼續(xù)執(zhí)行。

實現(xiàn)原理：

CyclicBarrier 是一個同步輔助類，用于讓一組線程到達(dá)一個屏障（barrier）時被阻塞，直到最后一個線程到達(dá)屏障時，屏障才會開門，所有被屏障攔截的線程才會繼續(xù)運(yùn)行。CyclicBarrier 的名稱中的 “Cyclic” 指的是它可以被重用。當(dāng)所有參與者到達(dá)屏障時，它們會執(zhí)行 barrierAction 指定的動作，這個動作只會被最后一個到達(dá)屏障的線程執(zhí)行。

1. 屏障計數(shù)器：

CyclicBarrier 使用一個內(nèi)部計數(shù)器來跟蹤到達(dá)屏障的線程數(shù)量。

1. 阻塞線程：

當(dāng)線程到達(dá)屏障時，它會阻塞，直到計數(shù)器的值為零。

1. 重用性：

CyclicBarrier 允許在屏障打開后重新使用它，而不是每次使用后都必須創(chuàng)建一個新的。

作用：

CyclicBarrier 的主要作用是在多線程環(huán)境中提供一個線程間的同步點(diǎn)，使得一組線程在完成各自的任務(wù)后，能夠同時繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)操作。它適用于以下場景：

• 當(dāng)你需要讓一組線程等待直到所有線程都完成某個任務(wù)后，才能繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)操作時。
• 當(dāng)你需要確保一組線程同時開始執(zhí)行某個操作時。

示例代碼：

以下是一個簡單的 CyclicBarrier 使用示例：

import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;


public class CyclicBarrierExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 創(chuàng)建一個CyclicBarrier，初始值為5
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5);


        // 創(chuàng)建一個線程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);


        // 提交任務(wù)到線程池，每個任務(wù)都會到達(dá)屏障并執(zhí)行后續(xù)操作
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            final int taskNumber = i;
            executor.submit(() -> {
                System.out.println("Task " + taskNumber + " is running");
                try {
                    barrier.await();
                } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
                System.out.println("Task " + taskNumber + " is completed");
            });
        }


        // 主線程等待所有任務(wù)完成后繼續(xù)執(zhí)行
        try {
            barrier.await();
        } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }


        System.out.println("All tasks are completed, main thread continues");


        // 關(guān)閉線程池
        executor.shutdown();
    }
}

在這個示例中，我們創(chuàng)建了一個 CyclicBarrier 并使用一個線程池來模擬5個并發(fā)任務(wù)。每個任務(wù)在完成自己的操作后會到達(dá)屏障并等待其他任務(wù)也到達(dá)屏障。當(dāng)所有任務(wù)都到達(dá)屏障時，它們會繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)操作。主線程在調(diào)用 barrier.await() 方法時會阻塞，直到所有子線程都到達(dá)屏障。

解釋：

• CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5);：創(chuàng)建了一個初始值為5的 CyclicBarrier 實例。
• barrier.await();：每個線程在完成任務(wù)后調(diào)用此方法到達(dá)屏障并等待其他線程。
• ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);：創(chuàng)建了一個大小為5的線程池。
• executor.submit(() -> {...});：提交了5個任務(wù)到線程池。
• executor.shutdown();：關(guān)閉線程池。

這個示例展示了如何在多線程環(huán)境中使用 CyclicBarrier 來確保一組線程在完成各自的任務(wù)后，能夠同時繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)操作。由于 CyclicBarrier 提供了線程間的同步點(diǎn)，它適合用于需要線程同步執(zhí)行的場景。

代碼分析：

以下是 CyclicBarrier 類的一些關(guān)鍵方法的代碼分析：

• CyclicBarrier(int parties)： 這個構(gòu)造方法用于創(chuàng)建一個 CyclicBarrier 對象，并指定屏障的參與者數(shù)量。

• await()： 這個方法用于使當(dāng)前線程等待，直到計數(shù)器的值為零。如果計數(shù)器的值不為零，當(dāng)前線程會阻塞。

• await(long timeout, TimeUnit unit)： 這個方法與 await() 類似，但它允許設(shè)置一個超時時間。如果其他線程在超時時間內(nèi)還沒有到達(dá)屏障，當(dāng)前線程將返回 false。

• reset()： 這個方法用于重置屏障，將其計數(shù)器的值重置為初始值。

• getNumberWaiting()： 這個方法用于獲取當(dāng)前等待在屏障上的線程數(shù)量。

• getParties()： 這個方法用于獲取屏障的參與者數(shù)量。

• isBroken()： 這個方法用于檢查屏障是否被破壞。如果屏障被破壞，所有等待的線程都會被中斷。

這些方法都使用了 Object 類的 wait() 和 notify() 方法來實現(xiàn)線程間的同步。當(dāng)線程到達(dá) await 方法時，它會調(diào)用 wait() 方法，這會導(dǎo)致線程進(jìn)入等待狀態(tài)。當(dāng)其他線程到達(dá)屏障時，會調(diào)用 notify() 方法來喚醒等待的線程。

10、Semaphore

一個計數(shù)信號量，可以用來限制可以同時訪問某個特定資源的線程數(shù)量。

實現(xiàn)原理：

Exchanger 是一個同步輔助類，用于實現(xiàn)兩個線程間的數(shù)據(jù)交換。當(dāng)兩個線程都到達(dá) Exchanger 指定的交換點(diǎn)時，它們可以交換彼此的數(shù)據(jù)。如果只有一個線程到達(dá)交換點(diǎn)，它會阻塞，直到另一個線程也到達(dá)交換點(diǎn)。

1. 交換點(diǎn)：

Exchanger 使用一個內(nèi)部同步機(jī)制來跟蹤到達(dá)交換點(diǎn)的線程數(shù)量。

1. 阻塞等待：

當(dāng)線程到達(dá)交換點(diǎn)時，它會阻塞，直到另一個線程也到達(dá)交換點(diǎn)。

1. 數(shù)據(jù)交換：

當(dāng)兩個線程都到達(dá)交換點(diǎn)時，它們可以交換彼此的數(shù)據(jù)。

作用：

Exchanger 的主要作用是在多線程環(huán)境中提供一個線程間的同步點(diǎn)，使得兩個線程可以交換數(shù)據(jù)。它適用于以下場景：

• 當(dāng)你需要實現(xiàn)兩個線程間的數(shù)據(jù)交換時。
• 當(dāng)你需要確保兩個線程在某個點(diǎn)同步執(zhí)行時。

示例代碼：

以下是一個簡單的 Exchanger 使用示例：

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Exchanger;


public class ExchangerExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 創(chuàng)建一個Exchanger
        Exchanger<String> exchanger = new Exchanger<>();


        // 創(chuàng)建一個線程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);


        // 提交任務(wù)到線程池，第一個線程會生成數(shù)據(jù)并等待交換
        executor.submit(() -> {
            String data = "Data from the first thread";
            try {
                String receivedData = exchanger.exchange(data);
                System.out.println("Received data from the second thread: " + receivedData);
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        });


        // 提交任務(wù)到線程池，第二個線程會生成數(shù)據(jù)并交換
        executor.submit(() -> {
            String data = "Data from the second thread";
            try {
                String receivedData = exchanger.exchange(data);
                System.out.println("Received data from the first thread: " + receivedData);
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        });


        // 關(guān)閉線程池
        executor.shutdown();
    }
}

在這個示例中，我們創(chuàng)建了一個 Exchanger 并使用一個線程池來模擬兩個線程。第一個線程在交換點(diǎn)等待，并準(zhǔn)備好交換數(shù)據(jù)。第二個線程在交換點(diǎn)準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，并等待第一個線程到達(dá)交換點(diǎn)。當(dāng)兩個線程都到達(dá)交換點(diǎn)時，它們可以交換數(shù)據(jù)。

解釋：

• Exchanger<String> exchanger = new Exchanger<>();：創(chuàng)建了一個新的 Exchanger 實例。
• String data = "Data from the first thread";：第一個線程準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)。
• exchanger.exchange(data);：第一個線程在交換點(diǎn)等待，并準(zhǔn)備好交換數(shù)據(jù)。
• String receivedData = exchanger.exchange(data);：第二個線程在交換點(diǎn)準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，并等待第一個線程到達(dá)交換點(diǎn)。
• ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);：創(chuàng)建了一個大小為2的線程池。
• executor.submit(() -> {...});：提交了兩個任務(wù)到線程池。
• executor.shutdown();：關(guān)閉線程池。

這個示例展示了如何在多線程環(huán)境中使用 Exchanger 來確保兩個線程在某個點(diǎn)同步執(zhí)行并交換數(shù)據(jù)。由于 Exchanger 提供了線程間的同步點(diǎn)，它適合用于需要線程間數(shù)據(jù)交換的場景。

代碼分析：

以下是 Semaphore 類的一些關(guān)鍵方法的代碼分析：

• Semaphore(int permits)： 這個構(gòu)造方法用于創(chuàng)建一個 Semaphore 對象，并指定信號量的初始值。

• acquire()： 這個方法用于嘗試獲取一個資源。如果信號量的值大于零，當(dāng)前線程可以繼續(xù)執(zhí)行；如果信號量的值等于零，當(dāng)前線程將阻塞。

• acquire(int permits)： 這個方法與 acquire() 類似，但它允許指定要獲取的資源數(shù)量。

• release()： 這個方法用于釋放一個資源。它會增加信號量的值，從而允許其他被阻塞的線程繼續(xù)執(zhí)行。

• tryAcquire()： 這個方法用于嘗試獲取一個資源，但不阻塞。如果信號量的值大于零，當(dāng)前線程可以繼續(xù)執(zhí)行；如果信號量的值等于零，該方法將返回 false。

• tryAcquire(int permits)： 這個方法與 tryAcquire() 類似，但它允許指定要獲取的資源數(shù)量。

這些方法都使用了 Object 類的 wait() 和 notify() 方法來實現(xiàn)線程間的同步。當(dāng)線程到達(dá) acquire 方法時，它會調(diào)用 wait() 方法，這會導(dǎo)致線程進(jìn)入等待狀態(tài)。當(dāng)其他線程調(diào)用 release 方法并釋放資源時，會調(diào)用 notify() 方法來喚醒等待的線程。

11、Exchanger

一個用于在并發(fā)線程之間交換數(shù)據(jù)的工具，適用于遺傳算法、流水線設(shè)計等場景。

Exchanger 是一個用于線程間交換數(shù)據(jù)的同步輔助類，它允許兩個線程在某個點(diǎn)交換它們的數(shù)據(jù)。當(dāng)一個線程準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)時，它會等待另一個線程準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，然后它們可以交換數(shù)據(jù)。如果一個線程準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)而另一個線程還沒有準(zhǔn)備好，那么第一個線程會阻塞，直到第二個線程準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)。

實現(xiàn)原理：

Exchanger 的實現(xiàn)原理是基于 Object 類的 wait() 和 notify() 方法。當(dāng)一個線程到達(dá)交換點(diǎn)時，它會調(diào)用 exchange() 方法，該方法會嘗試將該線程的數(shù)據(jù)與另一個線程的數(shù)據(jù)交換。如果另一個線程還沒有準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，那么第一個線程會阻塞，直到第二個線程到達(dá)交換點(diǎn)并準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)。

1. 交換點(diǎn)：

Exchanger 使用一個內(nèi)部同步機(jī)制來跟蹤到達(dá)交換點(diǎn)的線程數(shù)量。

1. 阻塞等待：

當(dāng)線程到達(dá)交換點(diǎn)時，它會阻塞，直到另一個線程也到達(dá)交換點(diǎn)。

1. 數(shù)據(jù)交換：

當(dāng)兩個線程都到達(dá)交換點(diǎn)時，它們可以交換彼此的數(shù)據(jù)。

作用：

Exchanger 的主要作用是在多線程環(huán)境中提供一個線程間的同步點(diǎn)，使得兩個線程可以交換數(shù)據(jù)。它適用于以下場景：

• 當(dāng)你需要實現(xiàn)兩個線程間的數(shù)據(jù)交換時。
• 當(dāng)你需要確保兩個線程在某個點(diǎn)同步執(zhí)行時。

示例代碼：

以下是一個簡單的 Exchanger 使用示例：

import java.util.concurrent.Exchanger;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;


public class ExchangerExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 創(chuàng)建一個Exchanger
        Exchanger<String> exchanger = new Exchanger<>();


        // 創(chuàng)建一個線程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);


        // 提交任務(wù)到線程池，第一個線程會生成數(shù)據(jù)并等待交換
        executor.submit(() -> {
            String data = "Data from the first thread";
            try {
                String receivedData = exchanger.exchange(data);
                System.out.println("Received data from the second thread: " + receivedData);
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        });


        // 提交任務(wù)到線程池，第二個線程會生成數(shù)據(jù)并交換
        executor.submit(() -> {
            String data = "Data from the second thread";
            try {
                String receivedData = exchanger.exchange(data);
                System.out.println("Received data from the first thread: " + receivedData);
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        });


        // 關(guān)閉線程池
        executor.shutdown();
    }
}

在這個示例中，我們創(chuàng)建了一個 Exchanger 并使用一個線程池來模擬兩個線程。第一個線程在交換點(diǎn)等待，并準(zhǔn)備好交換數(shù)據(jù)。第二個線程在交換點(diǎn)準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，并等待第一個線程到達(dá)交換點(diǎn)。當(dāng)兩個線程都到達(dá)交換點(diǎn)時，它們可以交換數(shù)據(jù)。

解釋：

• Exchanger<String> exchanger = new Exchanger<>();：創(chuàng)建了一個新的 Exchanger 實例。
• String data = "Data from the first thread";：第一個線程準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)。
• String receivedData = exchanger.exchange(data);：第一個線程在交換點(diǎn)等待，并準(zhǔn)備好交換數(shù)據(jù)。
• String receivedData = exchanger.exchange(data);：第二個線程在交換點(diǎn)準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，并等待第一個線程到達(dá)交換點(diǎn)。
• ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);：創(chuàng)建了一個大小為2的線程池。
• executor.submit(() -> {...});：提交了兩個任務(wù)到線程池。
• executor.shutdown();：關(guān)閉線程池。

這個示例展示了如何在多線程環(huán)境中使用 Exchanger 來確保兩個線程在某個點(diǎn)同步執(zhí)行并交換數(shù)據(jù)。由于 Exchanger 提供了線程間的同步點(diǎn)，它適合用于需要線程間數(shù)據(jù)交換的場景。

在這個示例中，兩個線程分別準(zhǔn)備了一些數(shù)據(jù)，并嘗試通過 Exchanger 進(jìn)行交換。如果一個線程到達(dá)交換點(diǎn)時，另一個線程還沒有準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，那么第一個線程會阻塞，直到第二個線程也到達(dá)交換點(diǎn)并準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)。當(dāng)兩個線程都到達(dá)交換點(diǎn)時，它們可以交換數(shù)據(jù)，然后繼續(xù)執(zhí)行。

代碼分析：

在 Java 中，Exchanger 類的實現(xiàn)原理基于 Object 類的 wait() 和 notify() 方法。以下是 Exchanger 類的一些關(guān)鍵方法的實現(xiàn)原理：

• boolean exchange(V x)：這個方法允許一個線程嘗試交換數(shù)據(jù)。如果另一個線程已經(jīng)準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，那么這兩個線程將交換數(shù)據(jù)。如果另一個線程還沒有準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，那么當(dāng)前線程會阻塞，直到另一個線程到達(dá)交換點(diǎn)并準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)。

• boolean exchange(V x, long timeout, TimeUnit unit)：這個方法與 exchange(V x) 類似，但它允許設(shè)置一個超時時間。如果另一個線程在超時時間內(nèi)還沒有準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，那么當(dāng)前線程將返回 false。

• V exchange(V x, Phaser phaser)：這個方法允許一個線程嘗試交換數(shù)據(jù)，并且使用一個 Phaser 來管理線程的同步。如果另一個線程已經(jīng)準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，那么這兩個線程將交換數(shù)據(jù)。如果另一個線程還沒有準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，那么當(dāng)前線程會阻塞，直到另一個線程到達(dá)交換點(diǎn)并準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)。

這些方法都使用了 Object 類的 wait() 和 notify()方法來實現(xiàn)線程間的同步。當(dāng)一個線程到達(dá)交換點(diǎn)時，它會調(diào)用 wait() 方法，這會導(dǎo)致線程進(jìn)入等待狀態(tài)。當(dāng)另一個線程到達(dá)交換點(diǎn)并調(diào)用 notify() 方法時，第一個線程會被喚醒，并且可以繼續(xù)執(zhí)行。

12、Phaser

一個可重用的同步屏障，適用于類似于 CyclicBarrier 的場景，但提供了更靈活的注冊和注銷機(jī)制。

實現(xiàn)原理：

Phaser 是一個可重用的同步屏障，它允許一組線程互相等待，直到它們都到達(dá)某個屏障點(diǎn)。與 CyclicBarrier 類似，Phaser 允許重用同一個屏障，這意味著在所有線程到達(dá)屏障點(diǎn)后，可以重新使用該屏障。

1. 屏障計數(shù)器：

Phaser 使用一個內(nèi)部計數(shù)器來跟蹤到達(dá)屏障點(diǎn)的線程數(shù)量。

1. 阻塞等待：

當(dāng)線程到達(dá)屏障點(diǎn)時，它會阻塞，直到所有線程都到達(dá)屏障點(diǎn)。

1. 重用性：

Phaser 允許在屏障點(diǎn)被觸發(fā)后重新使用它，而不是每次使用后都必須創(chuàng)建一個新的。

作用：

Phaser 的主要作用是在多線程環(huán)境中提供一個線程間的同步點(diǎn)，使得一組線程在完成各自的任務(wù)后，能夠同時繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)操作。它適用于以下場景：

• 當(dāng)你需要讓一組線程等待直到所有線程都完成某個任務(wù)后，才能繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)操作時。
• 當(dāng)你需要確保一組線程同時開始執(zhí)行某個操作時。

示例代碼：

以下是一個簡單的 Phaser 使用示例：

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Phaser;


public class PhaserExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 創(chuàng)建一個Phaser，初始值為5
        Phaser phaser = new Phaser(5);


        // 創(chuàng)建一個線程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);


        // 提交任務(wù)到線程池，每個任務(wù)都會到達(dá)屏障點(diǎn)并執(zhí)行后續(xù)操作
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            final int taskNumber = i;
            executor.submit(() -> {
                System.out.println("Task " + taskNumber + " is running");
                try {
                    phaser.arriveAndAwaitAdvance();
                } catch (InterruptedException e) {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
                System.out.println("Task " + taskNumber + " is completed");
            });
        }


        // 主線程等待所有任務(wù)完成后繼續(xù)執(zhí)行
        try {
            phaser.arriveAndAwaitAdvance();
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }


        System.out.println("All tasks are completed, main thread continues");


        // 關(guān)閉線程池
        executor.shutdown();
    }
}

在這個示例中，我們創(chuàng)建了一個 Phaser 并使用一個線程池來模擬5個并發(fā)任務(wù)。每個任務(wù)在完成自己的操作后會到達(dá)屏障點(diǎn)并等待其他任務(wù)也到達(dá)屏障點(diǎn)。當(dāng)所有任務(wù)都到達(dá)屏障點(diǎn)時，它們會繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)操作。主線程在調(diào)用 phaser.arriveAndAwaitAdvance() 方法時會阻塞，直到所有子線程都到達(dá)屏障點(diǎn)。

解釋：

• Phaser phaser = new Phaser(5);：創(chuàng)建了一個初始值為5的 Phaser 實例。
• phaser.arriveAndAwaitAdvance();：每個線程在完成任務(wù)后調(diào)用此方法到達(dá)屏障點(diǎn)并等待其他線程。
• ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);：創(chuàng)建了一個大小為5的線程池。
• executor.submit(() -> {...});：提交了5個任務(wù)到線程池。
• executor.shutdown();：關(guān)閉線程池。

這個示例展示了如何在多線程環(huán)境中使用 Phaser 來確保一組線程在完成各自的任務(wù)后，能夠同時繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)操作。由于 Phaser 提供了線程間的同步點(diǎn)，它適合用于需要線程同步執(zhí)行的場景。

代碼分析：

以下是 Phaser 類的一些關(guān)鍵方法的代碼分析：

• Phaser(int parties)： 這個構(gòu)造方法用于創(chuàng)建一個 Phaser 對象，并指定屏障的參與者數(shù)量。

• arrive()： 這個方法用于使當(dāng)前線程到達(dá)屏障點(diǎn)。每次調(diào)用此方法時，計數(shù)器的值會遞減。

• arriveAndAwaitAdvance()： 這個方法與 arrive() 類似，但它會阻塞當(dāng)前線程，直到計數(shù)器的值變?yōu)榱恪?/li>

• awaitAdvance()： 這個方法用于阻塞當(dāng)前線程，直到屏障點(diǎn)被觸發(fā)。

• getRegisteredParties()： 這個方法用于獲取當(dāng)前注冊在屏障上的線程數(shù)量。

• getArrivedParties()： 這個方法用于獲取已經(jīng)到達(dá)屏障的線程數(shù)量。

• isTerminated()： 這個方法用于檢查屏障是否已經(jīng)終止。如果屏障已經(jīng)終止，返回 true；否則返回 false。

• forceTermination()： 這個方法用于強(qiáng)制終止屏障。它將計數(shù)器的值設(shè)置為零，并喚醒所有等待的線程。

這些方法都使用了 Object 類的 wait() 和 notify() 方法來實現(xiàn)線程間的同步。當(dāng)線程到達(dá) arriveAndAwaitAdvance() 方法時，它會調(diào)用 wait() 方法，這會導(dǎo)致線程進(jìn)入等待狀態(tài)。當(dāng)其他線程到達(dá)屏障點(diǎn)并調(diào)用 arrive() 方法時，會調(diào)用 notify() 方法來喚醒等待的線程。

最后

以上就是 V哥給大家整理的12個并發(fā)相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這些并發(fā)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是 Java 并發(fā)編程的基礎(chǔ)，它們在 java.util.concurrent 包（J.U.C）中提供。使用這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以幫助開發(fā)者編寫出高效且線程安全的并發(fā)程序，分布式應(yīng)用開發(fā)的項目中，你會使用到的。Java并發(fā)