java並發容器

Ⅰ 5.2、Copy-on-Write模式：不是延時策略的COW

在深入理解java中String類的replace()方法時，我們發現它實際上運用了Copy-on-Write模式。這種模式在不可變對象的修改處理中被廣泛採用，其核心思想是「寫時復制」。在Java和其他領域，Copy-on-Write模式的應用場景多樣，從並發容器到操作系統，再到分布式系統、函數式編程，均可見其身影。接下來，我們將探討Copy-on-Write模式的廣泛應用及其在不同場景下的性能影響。

首先，讓我們回到Java領域。在Java中，Copy-on-Write容器，如CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet，正是通過Copy-on-Write原理實現的。這些容器在讀操作上無鎖化，極大提升了讀操作性能。然而，修改操作時的全量復制使得性能犧牲在內存使用上，這在讀操作密集而修改操作較少的場景下顯得尤為重要。對比Java中的CopyOnWrite容器與操作系統中fork()函數的Copy-on-Write機制，前者的性能影響主要來源於全量復制，而後者的性能提升則源自延遲復制策略，即只有在真正需要復制時才進行復制，從而減少資源消耗。

Copy-on-Write模式在操作系統中的應用主要體現在創建進程時的fork()函數上。傳統的fork()函數會創建一個完整的進程副本，而Linux的fork()函數採用一種更高效的方式，即父子進程共享地址空間，只在需要寫入時才進行復制，從而實現了父子進程各自擁有獨立的地址空間。這種機制不僅減少了資源的浪費，還提升了系統的整體性能。

除了操作系統，Copy-on-Write模式在文件系統、Docker容器、分布式源碼管理系統Git等領域同樣大放異彩。在這些領域中，Copy-on-Write不僅提升了系統性能，還解決了不可變性帶來的挑戰。盡管復制操作可能導致性能瓶頸，但隨著硬體性能的提升和演算法優化，Copy-on-Write模式的性能問題已逐漸被接受。在函數式編程中，Copy-on-Write更是不可或缺的手段，用於實現不可變數據結構的高效修改。

以一個真實案例為例，我們以一個類Dubbo的RPC框架為例，探討Copy-on-Write模式的應用。在該框架中，服務提供方的多實例部署要求客戶端實現負載均衡，這涉及對路由信息的頻繁訪問。由於路由表的讀操作遠多於寫操作，且對一致性要求不高，Copy-on-Write模式成為理想的選擇。在該框架中，使用CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet來維護路由表，以提高讀操作性能。同時，為實現路由表的一致性更新，採用Immutability模式，通過創建新的Router對象來處理服務提供方的上線、下線事件，從而避免了狀態同步帶來的性能損耗。

總結來看，Copy-on-Write模式作為一項通用的技術解決方案，在提升系統性能、處理不可變性問題上具有顯著優勢。雖然其在某些場景下可能會引發內存消耗問題，但隨著技術的不斷進步和優化，這種影響已經逐漸被降低。在實際應用中，對於讀操作頻繁而修改操作較少的場景，嘗試使用Copy-on-Write模式可以帶來顯著的性能提升。然而，選擇Copy-on-Write模式時，還需綜合考慮其對內存使用的影響，以確保系統的整體優化和資源高效利用。

Ⅱ Java8 高並發系列之 並發容器 之 CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList是Java8中一個線程安全的並發容器，以下是關於它的詳細解答：

1. 定義與適用場景：

   • 定義：CopyOnWriteArrayList是線程安全版本的ArrayList。
   • 適用場景：適用於讀多寫少的並發場景。

2. 內部實現：

   • 數組維護：CopyOnWriteArrayList內部維護一個數組來存儲元素。
   • 鎖機制：雖然描述中提及了ReentrantLock，但實際上CopyOnWriteArrayList主要通過復制數組的方式來實現線程安全，而非直接使用ReentrantLock進行並發控制。在寫操作時，會復制整個數組，修改後再替換原數組。讀操作則無需加鎖，因為讀取的是當前數組的快照。

3. 並發操作：

   • 讀操作：每個線程在讀取時會獲得當前數組的一個快照，獨立進行遍歷，因此讀操作無需加鎖，提高了並發性能。
   • 寫操作：寫操作會復制整個數組，並在副本上進行修改，修改完成後替換原數組。這種機制確保了寫操作不會影響讀操作的進行，但寫操作的成本較高，因為每次寫都需要復制整個數組。

4. 特點與限制：

   • 線程安全：CopyOnWriteArrayList通過復制數組的方式實現了線程安全，確保了並發讀寫操作的正確性。
   • 讀多寫少：由於寫操作需要復制整個數組，因此在寫操作頻繁的場景下，性能會受到影響。因此，它更適用於讀多寫少的並發場景。
   • 不允許重復元素：雖然這一點在描述中略有提及，但需要注意的是，CopyOnWriteArrayList本身並不直接限制元素的唯一性，與ArrayList一樣，它允許插入重復元素。但描述中可能指的是在某些特定應用場景下，CopyOnWriteArrayList可以通過其線程安全的特性來更好地支持這些場景。

5. 總結：

   • CopyOnWriteArrayList是一個線程安全的並發容器，通過快照機制實現了高效的並發遍歷。
   • 它適用於讀多寫少的並發場景，因為寫操作需要復制整個數組，成本較高。
   • 在讀操作頻繁、寫操作較少的場景下，CopyOnWriteArrayList能夠提供良好的性能和線程安全性。

Ⅲ java容器類都有哪些

Java集合類是Java編程中非常重要的組成部分，包括List、Set、Map等介面和它們的實現類。在面試中，關於Java容器類的問題常被提及，以下是一些關於Java集合的高頻面試題及解答：

1. 常見的集合有哪些？Java集合類主要由兩個介面Collection和Map派生出來，Collection有List、Set、Queue三個子介面。

2. List、Set和Map的區別？List代表有序可重復集合，可通過元素索引訪問；Set代表無序不可重復集合，只能通過元素本身訪問；Queue是隊列集合。Map存儲key-value對，根據key訪問value。

3. ArrayList了解嗎？ArrayList底層是動態數組，容量可動態擴展，使用ensureCapacity操作增加實例容量。

4. ArrayList的擴容機制？ArrayList在添加元素時，當數組已滿，會創建新數組，通常新數組容量為原容量的1.5倍，並將舊數組內容復制到新數組。

5. 如何在遍歷ArrayList時移除一個元素？使用迭代器的remove()方法，避免使用foreach導致的快速失敗問題。

6. ArrayList與Vector的區別？兩者均是線程安全的，但Vector使用synchronized關鍵字保證線程安全，而ArrayList不保證線程安全。

7. HashMap的底層原理？HashMap使用數組+鏈表+紅黑樹實現，鏈表長度超過8時轉換為紅黑樹，以提高查找效率。

8. 解決hash沖突的方法有哪些？HashMap採用鏈地址法解決沖突。

9. Hash演算法？Hash演算法包括取hashCode值、高位運算和取模運算。JDK1.8優化了高位運算演算法，提高性能。

10. 為什麼建議設置HashMap的容量？HashMap有擴容機制，避免頻繁擴容影響性能。

11. 擴容過程？JDK1.8中，當元素個數超過閾值時，擴容為原容量的2倍，採用尾插入方式復制元素，避免線程同步問題。

12. HashMap的長度為什麼是2的冪次方？採用位運算代替取模操作，提高性能。

13. HashMap默認載入因子是多少？為什麼是0.75？默認值為0.75，平衡空間和時間效率。

14. 一般用什麼作為HashMap的key？通常使用不可變類如Integer、String作為key。

15. HashMap為什麼線程不安全？HashMap和HashTable的區別？HashMap是線程不安全的，而HashTable線程安全。

16. LinkedHashMap的底層原理？LinkedHashMap結合HashMap和雙向鏈表，保持元素插入順序。

17. TreeMap的特點？TreeMap基於紅黑樹實現，能根據元素大小排序。

18. HashSet、LinkedHashSet和TreeSet的區別？HashSet是線程不安全的，TreeSet基於TreeMap實現，保持元素插入順序。

19. fail fast和fail safe的區別？fail fast在多線程修改集合時拋出異常，fail safe通過復制集合來避免異常。

20. ArrayDeque的特性？ArrayDeque是雙端隊列，線程不安全，可使用Collections工具類轉換為線程安全版本。

21. ConcurrentHashMap的實現機制？ConcurrentHashMap採用CAS和synchronized保證並發安全，使用數組+鏈表/紅黑樹結構。

22. ConcurrentLinkedQueue的使用場景？非阻塞隊列，適合高並發讀寫場景。

23. 阻塞隊列的特點及使用場景？阻塞隊列用於線程安全的數據共享通道，適合多線程環境。

24. JDK提供的阻塞隊列有哪些？ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、PriorityBlockingQueue等。

25. SynchronousQueue的特點？不存儲元素的阻塞隊列，支持公平訪問隊列，適合傳遞性場景。

26. DelayQueue的使用場景？支持延時獲取元素的無界阻塞隊列，適用於需要延時處理的任務。

以上是關於Java容器類的一些常見面試題及解答，希望能幫助大家更好地理解和掌握Java集合的相關知識。

Ⅳ Java並發編程之java.util.concurrent包

Java並發編程之java.util.concurrent包

概述

Java.util.concurrent 包含多種線程安全、測試良好、高性能的並發構建塊。該包旨在實現 Collection 框架對數據結構的並發操作。提供一組可靠的、高性能的並發構建塊，幫助開發者提高並發類的線程安全、可伸縮性、性能、可讀性和可靠性。其中一些類名與Doug Lea 的 util.concurrent 庫中的概念相似。

JDK 5.0的並發改進可分為三類：

1. JVM級更改，引入了compare-and-swap (CAS) 指令，允許線程在低級別和細粒度上更新內存位置，提供高度可伸縮的並發類。這些更改主要由JDK庫類使用，而非開發者直接使用。

2. 低級實用程序類，包括鎖和原子類，使用 CAS 作為並發原語，ReentrantLock 提供與 synchronized 相同的鎖定和內存語義，但允許更好的控制和更高的可伸縮性。大多數開發人員將使用構建在 ReentrantLock 上的高級類。

3. 高級實用程序類，實現並發構建塊，如信號、互斥、閂鎖、屏障、交換程序、線程池和線程安全集合類，大多數開發人員可以使用這些類替換同步、wait() 和 notify() 的使用，提高性能、可讀性和正確性。

Lock對象顯式鎖是Java並發包的重要內容，提供了比synchronized隱式鎖更加強大與靈活的鎖操作。了解這部分內容對並發開發至關重要。

包內包含locks、concurrent、atomic三個主要部分：

1. Atomic：原子數據的構建。
2. Locks：基本鎖的實現，包括AQS框架和lockSupport。
3. Concurrent：構建的高級工具，如線程池和並發隊列。

詳細分類

Java.util.concurrent並發編程包設計的類主要分為基礎元件、原子變數類、線程池相關、並發容器類和同步工具類。

使用示例

1. Condition：用於線程之間的通信，創建方式為通過Lock創建，Lock.newCondition()。常用方法有：await()、signal()，相比於wait與notify更為靈活。

2. CountDownLatch：適用於一個線程等待其他線程完成某件事情。創建方式為直接創建，new CountDownLatch(int num)。適用於一個線程等待多個線程完成。

3. CyclicBarrier：強調n個線程互等，等大家都完成。創建方式為直接創建，new CyclicBarrier(int num)。適用於多個線程等待相互完成。

4. Semaphore：用於限流，創建方式為直接創建，new Semaphore(int num)。常用方法有：availablePermits()、acquire()、release()、acquireUninterruptibly(int num)。

5. ReentrantLock：創建方式有非公平鎖和公平鎖。常用方法有：tryLock()。

6. ReentrantReadWriteLock：讀鎖和寫鎖的實現。常用方法有：readLock().lock()、writeLock().lock()、readLock().unlock()、writeLock().unlock()。

7. Callable介面：支持返回執行結果，常用FutureTask.get()方法獲取結果。與Runnable對比，Callable可以有返回值和拋出異常。

8. 線程池：提供了多種線程池實現方式，例如有數量線程池的實現。

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本文來自公眾號：大技術