java并发容器

Ⅰ 5.2、Copy-on-Write模式：不是延时策略的COW

在深入理解java中String类的replace()方法时，我们发现它实际上运用了Copy-on-Write模式。这种模式在不可变对象的修改处理中被广泛采用，其核心思想是“写时复制”。在Java和其他领域，Copy-on-Write模式的应用场景多样，从并发容器到操作系统，再到分布式系统、函数式编程，均可见其身影。接下来，我们将探讨Copy-on-Write模式的广泛应用及其在不同场景下的性能影响。

首先，让我们回到Java领域。在Java中，Copy-on-Write容器，如CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet，正是通过Copy-on-Write原理实现的。这些容器在读操作上无锁化，极大提升了读操作性能。然而，修改操作时的全量复制使得性能牺牲在内存使用上，这在读操作密集而修改操作较少的场景下显得尤为重要。对比Java中的CopyOnWrite容器与操作系统中fork()函数的Copy-on-Write机制，前者的性能影响主要来源于全量复制，而后者的性能提升则源自延迟复制策略，即只有在真正需要复制时才进行复制，从而减少资源消耗。

Copy-on-Write模式在操作系统中的应用主要体现在创建进程时的fork()函数上。传统的fork()函数会创建一个完整的进程副本，而Linux的fork()函数采用一种更高效的方式，即父子进程共享地址空间，只在需要写入时才进行复制，从而实现了父子进程各自拥有独立的地址空间。这种机制不仅减少了资源的浪费，还提升了系统的整体性能。

除了操作系统，Copy-on-Write模式在文件系统、Docker容器、分布式源码管理系统Git等领域同样大放异彩。在这些领域中，Copy-on-Write不仅提升了系统性能，还解决了不可变性带来的挑战。尽管复制操作可能导致性能瓶颈，但随着硬件性能的提升和算法优化，Copy-on-Write模式的性能问题已逐渐被接受。在函数式编程中，Copy-on-Write更是不可或缺的手段，用于实现不可变数据结构的高效修改。

以一个真实案例为例，我们以一个类Dubbo的RPC框架为例，探讨Copy-on-Write模式的应用。在该框架中，服务提供方的多实例部署要求客户端实现负载均衡，这涉及对路由信息的频繁访问。由于路由表的读操作远多于写操作，且对一致性要求不高，Copy-on-Write模式成为理想的选择。在该框架中，使用CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet来维护路由表，以提高读操作性能。同时，为实现路由表的一致性更新，采用Immutability模式，通过创建新的Router对象来处理服务提供方的上线、下线事件，从而避免了状态同步带来的性能损耗。

总结来看，Copy-on-Write模式作为一项通用的技术解决方案，在提升系统性能、处理不可变性问题上具有显著优势。虽然其在某些场景下可能会引发内存消耗问题，但随着技术的不断进步和优化，这种影响已经逐渐被降低。在实际应用中，对于读操作频繁而修改操作较少的场景，尝试使用Copy-on-Write模式可以带来显著的性能提升。然而，选择Copy-on-Write模式时，还需综合考虑其对内存使用的影响，以确保系统的整体优化和资源高效利用。

Ⅱ Java8 高并发系列之 并发容器 之 CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList是Java8中一个线程安全的并发容器，以下是关于它的详细解答：

1. 定义与适用场景：

   • 定义：CopyOnWriteArrayList是线程安全版本的ArrayList。
   • 适用场景：适用于读多写少的并发场景。

2. 内部实现：

   • 数组维护：CopyOnWriteArrayList内部维护一个数组来存储元素。
   • 锁机制：虽然描述中提及了ReentrantLock，但实际上CopyOnWriteArrayList主要通过复制数组的方式来实现线程安全，而非直接使用ReentrantLock进行并发控制。在写操作时，会复制整个数组，修改后再替换原数组。读操作则无需加锁，因为读取的是当前数组的快照。

3. 并发操作：

   • 读操作：每个线程在读取时会获得当前数组的一个快照，独立进行遍历，因此读操作无需加锁，提高了并发性能。
   • 写操作：写操作会复制整个数组，并在副本上进行修改，修改完成后替换原数组。这种机制确保了写操作不会影响读操作的进行，但写操作的成本较高，因为每次写都需要复制整个数组。

4. 特点与限制：

   • 线程安全：CopyOnWriteArrayList通过复制数组的方式实现了线程安全，确保了并发读写操作的正确性。
   • 读多写少：由于写操作需要复制整个数组，因此在写操作频繁的场景下，性能会受到影响。因此，它更适用于读多写少的并发场景。
   • 不允许重复元素：虽然这一点在描述中略有提及，但需要注意的是，CopyOnWriteArrayList本身并不直接限制元素的唯一性，与ArrayList一样，它允许插入重复元素。但描述中可能指的是在某些特定应用场景下，CopyOnWriteArrayList可以通过其线程安全的特性来更好地支持这些场景。

5. 总结：

   • CopyOnWriteArrayList是一个线程安全的并发容器，通过快照机制实现了高效的并发遍历。
   • 它适用于读多写少的并发场景，因为写操作需要复制整个数组，成本较高。
   • 在读操作频繁、写操作较少的场景下，CopyOnWriteArrayList能够提供良好的性能和线程安全性。

Ⅲ java容器类都有哪些

Java集合类是Java编程中非常重要的组成部分，包括List、Set、Map等接口和它们的实现类。在面试中，关于Java容器类的问题常被提及，以下是一些关于Java集合的高频面试题及解答：

1. 常见的集合有哪些？Java集合类主要由两个接口Collection和Map派生出来，Collection有List、Set、Queue三个子接口。

2. List、Set和Map的区别？List代表有序可重复集合，可通过元素索引访问；Set代表无序不可重复集合，只能通过元素本身访问；Queue是队列集合。Map存储key-value对，根据key访问value。

3. ArrayList了解吗？ArrayList底层是动态数组，容量可动态扩展，使用ensureCapacity操作增加实例容量。

4. ArrayList的扩容机制？ArrayList在添加元素时，当数组已满，会创建新数组，通常新数组容量为原容量的1.5倍，并将旧数组内容复制到新数组。

5. 如何在遍历ArrayList时移除一个元素？使用迭代器的remove()方法，避免使用foreach导致的快速失败问题。

6. ArrayList与Vector的区别？两者均是线程安全的，但Vector使用synchronized关键字保证线程安全，而ArrayList不保证线程安全。

7. HashMap的底层原理？HashMap使用数组+链表+红黑树实现，链表长度超过8时转换为红黑树，以提高查找效率。

8. 解决hash冲突的方法有哪些？HashMap采用链地址法解决冲突。

9. Hash算法？Hash算法包括取hashCode值、高位运算和取模运算。JDK1.8优化了高位运算算法，提高性能。

10. 为什么建议设置HashMap的容量？HashMap有扩容机制，避免频繁扩容影响性能。

11. 扩容过程？JDK1.8中，当元素个数超过阈值时，扩容为原容量的2倍，采用尾插入方式复制元素，避免线程同步问题。

12. HashMap的长度为什么是2的幂次方？采用位运算代替取模操作，提高性能。

13. HashMap默认加载因子是多少？为什么是0.75？默认值为0.75，平衡空间和时间效率。

14. 一般用什么作为HashMap的key？通常使用不可变类如Integer、String作为key。

15. HashMap为什么线程不安全？HashMap和HashTable的区别？HashMap是线程不安全的，而HashTable线程安全。

16. LinkedHashMap的底层原理？LinkedHashMap结合HashMap和双向链表，保持元素插入顺序。

17. TreeMap的特点？TreeMap基于红黑树实现，能根据元素大小排序。

18. HashSet、LinkedHashSet和TreeSet的区别？HashSet是线程不安全的，TreeSet基于TreeMap实现，保持元素插入顺序。

19. fail fast和fail safe的区别？fail fast在多线程修改集合时抛出异常，fail safe通过复制集合来避免异常。

20. ArrayDeque的特性？ArrayDeque是双端队列，线程不安全，可使用Collections工具类转换为线程安全版本。

21. ConcurrentHashMap的实现机制？ConcurrentHashMap采用CAS和synchronized保证并发安全，使用数组+链表/红黑树结构。

22. ConcurrentLinkedQueue的使用场景？非阻塞队列，适合高并发读写场景。

23. 阻塞队列的特点及使用场景？阻塞队列用于线程安全的数据共享通道，适合多线程环境。

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

25. SynchronousQueue的特点？不存储元素的阻塞队列，支持公平访问队列，适合传递性场景。

26. DelayQueue的使用场景？支持延时获取元素的无界阻塞队列，适用于需要延时处理的任务。

以上是关于Java容器类的一些常见面试题及解答，希望能帮助大家更好地理解和掌握Java集合的相关知识。

Ⅳ Java并发编程之java.util.concurrent包

Java并发编程之java.util.concurrent包

概述

Java.util.concurrent 包含多种线程安全、测试良好、高性能的并发构建块。该包旨在实现 Collection 框架对数据结构的并发操作。提供一组可靠的、高性能的并发构建块，帮助开发者提高并发类的线程安全、可伸缩性、性能、可读性和可靠性。其中一些类名与Doug Lea 的 util.concurrent 库中的概念相似。

JDK 5.0的并发改进可分为三类：

1. JVM级更改，引入了compare-and-swap (CAS) 指令，允许线程在低级别和细粒度上更新内存位置，提供高度可伸缩的并发类。这些更改主要由JDK库类使用，而非开发者直接使用。

2. 低级实用程序类，包括锁和原子类，使用 CAS 作为并发原语，ReentrantLock 提供与 synchronized 相同的锁定和内存语义，但允许更好的控制和更高的可伸缩性。大多数开发人员将使用构建在 ReentrantLock 上的高级类。

3. 高级实用程序类，实现并发构建块，如信号、互斥、闩锁、屏障、交换程序、线程池和线程安全集合类，大多数开发人员可以使用这些类替换同步、wait() 和 notify() 的使用，提高性能、可读性和正确性。

Lock对象显式锁是Java并发包的重要内容，提供了比synchronized隐式锁更加强大与灵活的锁操作。了解这部分内容对并发开发至关重要。

包内包含locks、concurrent、atomic三个主要部分：

1. Atomic：原子数据的构建。
2. Locks：基本锁的实现，包括AQS框架和lockSupport。
3. Concurrent：构建的高级工具，如线程池和并发队列。

详细分类

Java.util.concurrent并发编程包设计的类主要分为基础元件、原子变量类、线程池相关、并发容器类和同步工具类。

使用示例

1. Condition：用于线程之间的通信，创建方式为通过Lock创建，Lock.newCondition()。常用方法有：await()、signal()，相比于wait与notify更为灵活。

2. CountDownLatch：适用于一个线程等待其他线程完成某件事情。创建方式为直接创建，new CountDownLatch(int num)。适用于一个线程等待多个线程完成。

3. CyclicBarrier：强调n个线程互等，等大家都完成。创建方式为直接创建，new CyclicBarrier(int num)。适用于多个线程等待相互完成。

4. Semaphore：用于限流，创建方式为直接创建，new Semaphore(int num)。常用方法有：availablePermits()、acquire()、release()、acquireUninterruptibly(int num)。

5. ReentrantLock：创建方式有非公平锁和公平锁。常用方法有：tryLock()。

6. ReentrantReadWriteLock：读锁和写锁的实现。常用方法有：readLock().lock()、writeLock().lock()、readLock().unlock()、writeLock().unlock()。

7. Callable接口：支持返回执行结果，常用FutureTask.get()方法获取结果。与Runnable对比，Callable可以有返回值和抛出异常。

8. 线程池：提供了多种线程池实现方式，例如有数量线程池的实现。

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