问题导读
1.java常用集合类有哪些并发对象？
2.LinkedBlockingQueue原理是怎样的？
3.怎样用多个线程同时操作并且遍历queue？
Java并发容器大纲
我将JUC包中的集合类划分为3部分来进行说明。在简单的了解JUC包中集合类的框架之后，后面的章节再逐步对各个类进行介绍。
List和Set
JUC(java.util.concurrent)集合包中的List和Set实现类包括: CopyOnWriteArrayList CopyOnWriteArraySet ConcurrentSkipListSet ConcurrentSkipListSet稍后在说明Map时再说明, CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet的框架如下图所示：
CopyOnWriteArrayList相当于线程安全的ArrayList,它实现了List接口。CopyOnWriteArrayList是支持高并发的。 CopyOnWriteArraySet相当于线程安全的HashSet,它继承于AbstractSet类。
CopyOnWriteArraySet内部包含一个CopyOnWriteArrayList对象，它是通过CopyOnWriteArrayList实现的。
Map
JUC集合包中Map的实现类包括: ConcurrentHashMap和ConcurrentSkipListMap。它们的框架如下图所示：
ConcurrentHashMap是线程安全的哈希表(相当于线程安全的HashMap)；它继承于AbstractMap类，并且实现ConcurrentMap接口。ConcurrentHashMap是通过“锁分段”来实现的，它支持并发。
ConcurrentSkipListMap是线程安全的有序的哈希表(相当于线程安全的TreeMap); 它继承于AbstractMap类，并且实现ConcurrentNavigableMap接口。ConcurrentSkipListMap是通过“跳表”来实现的，它支持并发。
ConcurrentSkipListSet是线程安全的有序的集合(相当于线程安全的TreeSet)；它继承于AbstractSet，并实现了NavigableSet接口。ConcurrentSkipListSet是通过ConcurrentSkipListMap实现的，它也支持并发。
Queue
JUC集合包中Queue的实现类包括: ArrayBlockingQueue, LinkedBlockingQueue, LinkedBlockingDeque, ConcurrentLinkedQueue和ConcurrentLinkedDeque。它们的框架如下图所示：
ArrayBlockingQueue是数组实现的线程安全的有界的阻塞队列。
LinkedBlockingQueue是单向链表实现的(指定大小)阻塞队列，该队列按 FIFO（先进先出）排序元素。
LinkedBlockingDeque是双向链表实现的(指定大小)双向并发阻塞队列，该阻塞队列同时支持FIFO和FILO两种操作方式。
ConcurrentLinkedQueue是单向链表实现的无界队列，该队列按 FIFO（先进先出）排序元素。
ConcurrentLinkedDeque是双向链表实现的无界队列，该队列同时支持FIFO和FILO两种操作方式。
LinkedBlockingQueue介绍
LinkedBlockingQueue是一个单向链表实现的阻塞队列。该队列按 FIFO（先进先出）排序元素，新元素插入到队列的尾部，并且队列获取操作会获得位于队列头部的元素。链接队列的吞吐量通常要高于基于数组的队列，但是在大多数并发应用程序中，其可预知的性能要低。
此外，LinkedBlockingQueue还是可选容量的(防止过度膨胀)，即可以指定队列的容量。如果不指定，默认容量大小等于Integer.MAX_VALUE。
LinkedBlockingQueue原理和数据结构
LinkedBlockingQueue的数据结构，如下图所示：
说明：
- LinkedBlockingQueue继承于AbstractQueue，它本质上是一个FIFO(先进先出)的队列。
- LinkedBlockingQueue实现了BlockingQueue接口，它支持多线程并发。当多线程竞争同一个资源时，某线程获取到该资源之后，其它线程需要阻塞等待。
- LinkedBlockingQueue是通过单链表实现的: (01) head是链表的表头。取出数据时，都是从表头head处插入。 (02) last是链表的表尾。新增数据时，都是从表尾last处插入。(03) count是链表的实际大小，即当前链表中包含的节点个数。(04) capacity是列表的容量，它是在创建链表时指定的。 (05) putLock是插入锁，takeLock是取出锁；notEmpty是“非空条件”，notFull是“未满条件”。通过它们对链表进行并发控制。 LinkedBlockingQueue在实现“多线程对竞争资源的互斥访问”时，对于“插入”和“取出(删除)”操作分别使用了不同的锁。对于插入操作，通过“插入锁putLock”进行同步；对于取出操作，通过“取出锁takeLock”进行同步。 此外，插入锁putLock和“非满条件notFull”相关联，取出锁takeLock和“非空条件notEmpty”相关联。通过notFull和notEmpty更细腻的控制锁。
若某线程(线程A)要取出数据时，队列正好为空，则该线程会执行notEmpty.await()进行等待；当其它某个线程(线程B)向队列中插入了数据之后，会调用notEmpty.signal()唤醒“notEmpty上的等待线程”。此时，线程A会被唤醒从而得以继续运行。 此外，线程A在执行取操作前，会获取takeLock，在取操作执行完毕再释放takeLock。
若某线程(线程H)要插入数据时，队列已满，则该线程会它执行notFull.await()进行等待；当其它某个线程(线程I)取出数据之后，会调用notFull.signal()唤醒“notFull上的等待线程”。此时，线程H就会被唤醒从而得以继续运行。 此外，线程H在执行插入操作前，会获取putLock，在插入操作执行完毕才释放putLock。
LinkedBlockingQueue函数列表
// 创建一个容量为 Integer.MAX_VALUE 的 LinkedBlockingQueue。LinkedBlockingQueue()// 创建一个容量是 Integer.MAX_VALUE 的 LinkedBlockingQueue，最初包含给定 collection 的元素，元素按该 collection 迭代器的遍历顺序添加。LinkedBlockingQueue(Collection<? extends E> c)// 创建一个具有给定（固定）容量的 LinkedBlockingQueue。LinkedBlockingQueue(int capacity)// 从队列彻底移除所有元素。void clear()// 移除此队列中所有可用的元素，并将它们添加到给定 collection 中。int drainTo(Collection<? super E> c)// 最多从此队列中移除给定数量的可用元素，并将这些元素添加到给定 collection 中。int drainTo(Collection<? super E> c, int maxElements)// 返回在队列中的元素上按适当顺序进行迭代的迭代器。Iterator<E> iterator()// 将指定元素插入到此队列的尾部（如果立即可行且不会超出此队列的容量），在成功时返回 true，如果此队列已满，则返回 false。boolean offer(E e)// 将指定元素插入到此队列的尾部，如有必要，则等待指定的时间以使空间变得可用。boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)// 获取但不移除此队列的头；如果此队列为空，则返回 null。E peek()// 获取并移除此队列的头，如果此队列为空，则返回 null。E poll()// 获取并移除此队列的头部，在指定的等待时间前等待可用的元素（如果有必要）。E poll(long timeout, TimeUnit unit)// 将指定元素插入到此队列的尾部，如有必要，则等待空间变得可用。void put(E e)// 返回理想情况下（没有内存和资源约束）此队列可接受并且不会被阻塞的附加元素数量。int remainingCapacity()// 从此队列移除指定元素的单个实例（如果存在）。boolean remove(Object o)// 返回队列中的元素个数。int size()// 获取并移除此队列的头部，在元素变得可用之前一直等待（如果有必要）。E take()// 返回按适当顺序包含此队列中所有元素的数组。Object[] toArray()// 返回按适当顺序包含此队列中所有元素的数组；返回数组的运行时类型是指定数组的运行时类型。<T> T[] toArray(T[] a)// 返回此 collection 的字符串表示形式。String toString()
LinkedBlockingQueue源码分析
下面从LinkedBlockingQueue的创建，添加，删除，遍历这几个方面对它进行分析。
1. 创建
下面以LinkedBlockingQueue(int capacity)来进行说明。
public LinkedBlockingQueue(int capacity) {if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();this.capacity = capacity;last = head = new Node<E>(null);}
说明： (01) capacity是“链式阻塞队列”的容量。 (02) head和last是“链式阻塞队列”的首节点和尾节点。它们在LinkedBlockingQueue中的声明如下：
// 容量private final int capacity;// 当前数量private final AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);private transient Node<E> head; // 链表的表头private transient Node<E> last; // 链表的表尾// 用于控制“删除元素”的互斥锁takeLock 和 锁对应的“非空条件”notEmptyprivate final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();// 用于控制“添加元素”的互斥锁putLock 和 锁对应的“非满条件”notFullprivate final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();private final Condition notFull = putLock.newCondition();
链表的节点定义如下：
static class Node<E> {E item; // 数据Node<E> next; // 下一个节点的指针Node(E x) { item = x; }}
2. 添加
下面以offer(E e)为例，对LinkedBlockingQueue的添加方法进行说明。
public boolean offer(E e) {if (e == null) throw new NullPointerException();// 如果“队列已满”，则返回false，表示插入失败。final AtomicInteger count = this.count;if (count.get() == capacity)return false;int c = -1;// 新建“节点e”Node<E> node = new Node(e);final ReentrantLock putLock = this.putLock;// 获取“插入锁putLock”putLock.lock();try {// 再次对“队列是不是满”的进行判断。// 若“队列未满”，则插入节点。if (count.get() < capacity) {// 插入节点enqueue(node);// 将“当前节点数量”+1，并返回“原始的数量”c = count.getAndIncrement();// 如果在插入元素之后，队列仍然未满，则唤醒notFull上的等待线程。if (c + 1 < capacity)notFull.signal();}} finally {// 释放“插入锁putLock”putLock.unlock();}// 如果在插入节点前，队列为空；则插入节点后，唤醒notEmpty上的等待线程if (c == 0)signalNotEmpty();return c >= 0;}
说明：offer()的作用很简单，就是将元素E添加到队列的末尾。 enqueue()的源码如下：
private void enqueue(Node<E> node) {// assert putLock.isHeldByCurrentThread();// assert last.next == null;last = last.next = node;}
enqueue()的作用是将node添加到队列末尾，并设置node为新的尾节点！ signalNotEmpty()的源码如下：
private void signalNotEmpty() {final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;takeLock.lock();try {notEmpty.signal();} finally {takeLock.unlock();}}
signalNotEmpty()的作用是唤醒notEmpty上的等待线程。
3. 取出
下面以take()为例，对LinkedBlockingQueue的取出方法进行说明。
public E take() throws InterruptedException {E x;int c = -1;final AtomicInteger count = this.count;final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;// 获取“取出锁”，若当前线程是中断状态，则抛出InterruptedException异常takeLock.lockInterruptibly();try {// 若“队列为空”，则一直等待。while (count.get() == 0) {notEmpty.await();}// 取出元素x = dequeue();// 取出元素之后，将“节点数量”-1；并返回“原始的节点数量”。c = count.getAndDecrement();if (c > 1)notEmpty.signal();} finally {// 释放“取出锁”takeLock.unlock();}// 如果在“取出元素之前”，队列是满的；则在取出元素之后，唤醒notFull上的等待线程。if (c == capacity)signalNotFull();return x;}
说明：take()的作用是取出并返回队列的头。若队列为空，则一直等待。 dequeue()的源码如下：
private E dequeue() {// assert takeLock.isHeldByCurrentThread();// assert head.item == null;Node<E> h = head;Node<E> first = h.next;h.next = h; // help GChead = first;E x = first.item;first.item = null;return x;}
dequeue()的作用就是删除队列的头节点，并将表头指向“原头节点的下一个节点”。 signalNotFull()的源码如下：
private void signalNotFull() {final ReentrantLock putLock = this.putLock;putLock.lock();try {notFull.signal();} finally {putLock.unlock();}}
signalNotFull()的作用就是唤醒notFull上的等待线程。
4. 遍历
下面对LinkedBlockingQueue的遍历方法进行说明。
public Iterator<E> iterator() {return new Itr();}
iterator()实际上是返回一个Iter对象。 Itr类的定义如下：
private class Itr implements Iterator<E> {// 当前节点private Node<E> current;// 上一次返回的节点private Node<E> lastRet;// 当前节点对应的值private E currentElement;Itr() {// 同时获取“插入锁putLock” 和 “取出锁takeLock”fullyLock();try {// 设置“当前元素”为“队列表头的下一节点”，即为队列的第一个有效节点current = head.next;if (current != null)currentElement = current.item;} finally {// 释放“插入锁putLock” 和 “取出锁takeLock”fullyUnlock();}}// 返回“下一个节点是否为null”public boolean hasNext() {return current != null;}private Node<E> nextNode(Node<E> p) {for (;;) {Node<E> s = p.next;if (s == p)return head.next;if (s == null || s.item != null)return s;p = s;}}// 返回下一个节点public E next() {fullyLock();try {if (current == null)throw new NoSuchElementException();E x = currentElement;lastRet = current;current = nextNode(current);currentElement = (current == null) ? null : current.item;return x;} finally {fullyUnlock();}}// 删除下一个节点public void remove() {if (lastRet == null)throw new IllegalStateException();fullyLock();try {Node<E> node = lastRet;lastRet = null;for (Node<E> trail = head, p = trail.next;p != null;trail = p, p = p.next) {if (p == node) {unlink(p, trail);break;}}} finally {fullyUnlock();}}}
LinkedBlockingQueue示例
import java.util.*;import java.util.concurrent.*;/** LinkedBlockingQueue是“线程安全”的队列，而LinkedList是非线程安全的。** 下面是“多个线程同时操作并且遍历queue”的示例* (01) 当queue是LinkedBlockingQueue对象时，程序能正常运行。* (02) 当queue是LinkedList对象时，程序会产生ConcurrentModificationException异常。**/public class LinkedBlockingQueueDemo1 {// TODO: queue是LinkedList对象时，程序会出错。//private static Queue<String> queue = new LinkedList<String>();private static Queue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<String>();public static void main(String[] args) {// 同时启动两个线程对queue进行操作！new MyThread("ta").start();new MyThread("tb").start();}private static void printAll() {String value;Iterator iter = queue.iterator();while(iter.hasNext()) {value = (String)iter.next();System.out.print(value+", ");}System.out.println();}private static class MyThread extends Thread {MyThread(String name) {super(name);}@Overridepublic void run() {int i = 0;while (i++ < 6) {// “线程名” + "-" + "序号"String val = Thread.currentThread().getName()+i;queue.add(val);// 通过“Iterator”遍历queue。printAll();}}}}
其中一次运行结果：
tb1, ta1,tb1, ta1, ta2,tb1, ta1, ta2, ta3,tb1, ta1, ta2, ta3, ta4,tb1, ta1, tb1, ta2, ta1, ta3, ta2, ta4, ta3, ta5,ta4, tb1, ta5, ta1, ta6,ta2, tb1, ta3, ta1, ta4, ta2, ta5, ta3, ta6, ta4, tb2,ta5, ta6, tb2,tb1, ta1, ta2, ta3, ta4, ta5, ta6, tb2, tb3,tb1, ta1, ta2, ta3, ta4, ta5, ta6, tb2, tb3, tb4,tb1, ta1, ta2, ta3, ta4, ta5, ta6, tb2, tb3, tb4, tb5,tb1, ta1, ta2, ta3, ta4, ta5, ta6, tb2, tb3, tb4, tb5, tb6,
结果说明： 示例程序中，启动两个线程(线程ta和线程tb)分别对LinkedBlockingQueue进行操作。以线程ta而言，它会先获取“线程名”+“序号”，然后将该字符串添加到LinkedBlockingQueue中；接着，遍历并输出LinkedBlockingQueue中的全部元素。 线程tb的操作和线程ta一样，只不过线程tb的名字和线程ta的名字不同。 当queue是LinkedBlockingQueue对象时，程序能正常运行。如果将queue改为LinkedList时，程序会产生ConcurrentModificationException异常。
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