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Java中提供了非常多的并發容器和框架，在此僅對部分并發容器進行介紹。

1.ConcurrentHashMap的實現原理與使用

? ? 1.1 為何使用ConcurrentHashMap

????在并發編程中使用HashMap可能導致程序死循環。而使用線程安全的HashTable效率又非 常低下，基于以上兩個原因，便有了ConcurrentHashMap。

線程不安全的HashMap：在多線程環境下，使用HashMap進行put操作會引起get操作死循環，導致CPU利用率接近100%，所以在并發情況下不能使用HashMap。HashMap在并發執行put操作時會引起死循環，是因為多線程會導致HashMap的Entry鏈表形成環形數據結構，一旦形成環形數據結構，Entry的next節點永遠不為空，就會產生死循環獲取Entry。

效率低下的HashTable：HashTable容器使用synchronized來保證線程安全，但在線程競爭激烈的情況下HashTable 的效率非常低下。因為當一個線程訪問HashTable的同步方法，其他線程也訪問HashTable的同 步方法時，會進入阻塞或輪詢狀態。如線程1使用put進行元素添加，線程2不但不能使用put方 法添加元素，也不能使用get方法來獲取元素，所以競爭越激烈效率越低。

ConcurrentHashMap的鎖分段技術：HashTable容器在競爭激烈的并發環境下表現出效率低下的原因是所有訪問HashTable的線程都必須競爭同一把鎖，假如容器里有多把鎖，每一把鎖用于鎖容器其中一部分數據，那么 當多線程訪問容器里不同數據段的數據時，線程間就不會存在鎖競爭，從而可以有效提高并發訪問效率，這就是ConcurrentHashMap所使用的鎖分段技術。首先將數據分成一段一段地存儲，然后給每一段數據配一把鎖，當一個線程占用鎖訪問其中一個段數據的時候，其他段的數據也能被其他線程訪問。

????1.2?ConcurrentHashMap結構

????ConcurrentHashMap是由Segment數組結構和HashEntry數組結構組成。Segment是一種可重入鎖（ReentrantLock），在ConcurrentHashMap里扮演鎖的角色；HashEntry則用于存儲鍵值對數據。一個ConcurrentHashMap里包含一個Segment數組。Segment的結構和HashMap類似，是一種 數組和鏈表結構。一個Segment里包含（用“鎖住”或許更合適）一個HashEntry數組，每個HashEntry數組中的元素是一個鏈表結構的元素，每個Segment守護著一個HashEntry數組里的元素，當對HashEntry數組的數據進行修改時，必須首先獲得與它對應的Segment鎖。也就是說一個ConcurrentHashMap里有著多個Segment數組，而Segment數組中的每個元素鎖住是HashEntry數組，每個HashEntry數組中的每個數組元素存放的就是一個鏈表。

? ? 1.3?ConcurrentHashMap的存取過程簡單解析

put(K key, V value)：在存儲鍵值對數據時，會對鍵值進行第一次哈希運算，定位到Segment數組中的位置，確認后位置后對該位置下的所有元素進行加鎖。加鎖后再進行插入操作，對該對鍵值進行第二次哈希運算，用于確認存儲在HashEntry數組中的下標位置，并進行判斷是否需要對HashEntry數組進行擴容并且重計算HashEntry數組中所有元素的存儲。確定在HashEntry數組中的位置后，就將該鍵值對添加到鏈表后。Segment的擴容判斷比HashMap更恰當，因為HashMap是在插入元素后判斷元素是否已經到達容量的，如果到達了就進行擴容，但是很有可能擴容之后沒有新元素插入，這時HashMap就進行了一次無效的擴容。

get(Object key)：先經過一次再哈希，然后使用這個哈希值通過哈希運算定位到Segment數組中的元素，再通過哈希算法定位到HashEntry數組中的元素即可。get的高效之處在于它不需要加鎖，除非讀到的值是空才會加鎖重讀。而道HashTable容器的get方法是加鎖的，所以才導致其效率極低。而ConcurrentHashMap是如何實現不加鎖的？觀察其源碼可以發現，get方法里所有使用的共享變量全部設置為volatile類型，如用于統計當前 Segement大小的count字段和用于存儲值的HashEntry的value，所有的鍵值對元素等。定義成volatile的變量，能夠在線 程之間保持可見性，能夠被多線程同時讀，并且保證不會讀到過期的值，但是只能被單線程寫 （有一種情況可以被多線程寫，就是寫入的值不依賴于原值），在get操作里只需要讀不需要寫 共享變量count和value，所以可以不用加鎖。之所以不會讀到過期的值，是因為根據Java內存模 型的happen before原則，對volatile字段的寫入操作先于讀操作，即使兩個線程同時修改和獲取 volatile變量，get操作也能拿到最新的值，這是用volatile替換鎖的經典應用場景。

size()：如果要統計整個ConcurrentHashMap里元素的大小，就必須統計所有Segment里元素的大小 后求和。Segment里的全局變量count是一個volatile變量，那么在多線程場景下，是不是直接把 所有Segment的count相加就可以得到整個ConcurrentHashMap大小了呢？實際上并不是，雖然可以獲取每個Segment的count的最新值，但是如果在將這些值相加時（原子性操作以及其可見性），count的值改變了那么就會得到不準確的值。而把所有Segment的put、remove和clean方法 全部鎖住又會非常低效。所以使用modCount 變量，在put、remove和clean方法里操作元素前都會將變量modCount進行加1，那么在統計size 前后比較modCount是否發生變化，從而得知容器的大小是否發生變化。

2. ConcurrentLinkedQueue的實現原理與使用

????ConcurrentLinkedQueue是一個基于鏈接節點的無界線程安全隊列，它采用先進先出的規則對節點進行排序，當我們添加一個元素的時候，它會添加到隊列的尾部，當我們獲取一個元素時，它會返回隊列頭部的元素。基于CAS的“wait－free”（常規無等待）來實現，CAS并不是一個算法，它是一個CPU直接支持的硬件指令，這也就在一定程度上決定了它的平臺相關性。

????當前常用的多線程同步機制可以分為下面三種類型：（在后面深入底層機制學習時在進行詳解）

volatile 變量：輕量級多線程同步機制，不會引起上下文切換和線程調度。僅提供內存可見性保證，不提供原子性。

CAS 原子指令：輕量級多線程同步機制，不會引起上下文切換和線程調度。它同時提供內存可見性和原子化更新保證。

互斥鎖：重量級多線程同步機制，可能會引起上下文切換和線程調度，它同時提供內存可見性和原子性。

????ConcurrentLinkedQueue 的非阻塞算法實現主要可概括為下面幾點：

使用 CAS 原子指令來處理對數據的并發訪問，這是非阻塞算法得以實現的基礎。

head/tail 并非總是指向隊列的頭 / 尾節點，也就是說允許隊列處于不一致狀態。 這個特性把入隊 /出隊時，原本需要一起原子化執行的兩個步驟分離開來，從而縮小了入隊 /出隊時需要原子化更新值的范圍到唯一變量。這是非阻塞算法得以實現的關鍵。

以批處理方式來更新head/tail，從整體上減少入隊 / 出隊操作的開銷。

? ? 2.1 數據結構

? ? 其數據結構與普通的隊列沒有差別，當單線程進行插入或刪除時與普通隊列相同，但是如果對于普通隊列進行多線程的刪除插入操作時，就會出現插隊現象，而ConcurrentLinkedQueue則避免了這種現象的發生。

? ? 2.2 入隊列實現

????整個入隊過程主要做兩件事情：第一是定位出尾節點；第二是使用 CAS將入隊節點設置成尾節點的next節點，如不成功則重試。

//實現源碼 public boolean offer(E e) {checkNotNull(e);final Node<E> newNode = new Node<E>(e);for (Node<E> t = tail, p = t;;) {Node<E> q = p.next;if (q == null) {// p is last nodeif (p.casNext(null, newNode)) {// Successful CAS is the linearization point// for e to become an element of this queue,// and for newNode to become "live".if (p != t) // hop two nodes at a timecasTail(t, newNode); // Failure is OK.return true;}// Lost CAS race to another thread; re-read next}else if (p == q)// We have fallen off list. If tail is unchanged, it// will also be off-list, in which case we need to// jump to head, from which all live nodes are always// reachable. Else the new tail is a better bet.p = (t != (t = tail)) ? t : head;else// Check for tail updates after two hops.p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q;}}

定位尾節點：查看源碼可以發現隊列中擁head表示頭結點，tail表示尾節點，但是在多線程入隊列時tail節點并不一定是尾節點，尾節點可能會是tail的next節點。代碼中循環體中的第一個if就是判斷tail是否有next節點，有則表示next節點可能是尾節點。獲取tail節點的next節點需要注意的是p節點等于p的next節點的情況，只有一種可能就是p節點和p的next節點都等于空，表示這個隊列剛初始化，正準備添加節點，所以需要返回head節點。

設置入隊節點為尾節點：p.casNext（null，n）方法用于將入隊節點設置為當前隊列尾節點next節點，如果p是null， 表示p是當前隊列的尾節點，如果不為null，表示有其他線程更新了尾節點，則需要重新獲取當 前隊列的尾節點。

? ? 2.3 出隊列實現

首先獲取頭節點的元素，然后判斷頭節點元素是否為空，如果為空，表示另外一個線程已經進行了一次出隊操作將該節點的元素取走，如果不為空，則使用CAS的方式將頭節點的引用設置成null，如果CAS成功，則直接返回頭節點的元素，如果不成功，表示另外一個線程已經進行了一次出隊操作更新了head節點，導致元素發生了變化，需要重新獲取頭節點。

轉載于:https://my.oschina.net/ProgramerLife/blog/1807749

總結

以上是生活随笔為你收集整理的并发容器与框架——并发容器（一）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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