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并发集合

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驯服 Tiger

超越 Map、Collection、List 和 Set

在 Java 编程的早期阶段,位于 Oswego 市的纽约州立大学(SUNY) 的一位教授决定创建一个简单的库,以帮助开发人员构建可以更好地处理多线程情况的应用程序。这并不是说用现有的库就不能实现,但是就像有了标准网络库一样,用经过调试的、可信任的库更容易自己处理多线程。在 Addision-Wesley 的一本相关书籍的帮助下,这个库变得越来越流行了。最终,作者 Doug Lea 决定设法让它成为 Java 平台的标准部分 —— JSR-166。这个库最后变成了 Tiger 版本的 java.util.concurrent 包。在这篇新的 驯服 Tiger 技巧中,我们将探讨 Collection Framework 中新的 Queue 接口、这个接口的非并发和并发实现、并发 Map 实现和专用于读操作大大超过写操作这种情况的并发 ListSet 实现。

java.util 包为集合提供了一个新的基本接口: java.util.Queue 。虽然肯定可以在相对应的两端进行添加和删除而将 java.util.List 作为队列对待,但是这个新的 Queue 接口提供了支持添加、删除和检查集合的更多方法,如下所示:

基本上,一个队列就是一个先入先出(FIFO)的数据结构。一些队列有大小限制,因此如果想在一个满的队列中加入一个新项,多出的项就会被拒绝。这时新的 offer 方法就可以起作用了。它不是对调用 add() 方法抛出一个 unchecked 异常,而只是得到由 offer() 返回的 false。 remove()poll() 方法都是从队列中删除第一个元素(head)。 remove() 的行为与 Collection 接口的版本相似,但是新的 poll() 方法在用空集合调用时不是抛出异常,只是返回 null。因此新的方法更适合容易出现异常条件的情况。后两个方法 element()peek() 用于在队列的头部查询元素。与 remove() 方法类似,在队列为空时, element() 抛出一个异常,而 peek() 返回 null。

在 Tiger 中有两组 Queue 实现:实现了新 BlockingQueue 接口的和没有实现这个接口的。我将首先分析那些没有实现的。

在最简单的情况下,原来有的 java.util.LinkedList 实现已经改造成不仅实现 java.util.List 接口,而且还实现 java.util.Queue 接口。可以将集合看成这两者中的任何一种。清单 1 显示将 LinkedList 作为 Queue 使用的一种方法:

清单 1. 使用 Queue 实现

再复杂一点的是新的 java.util.AbstractQueue 类。这个类的工作方式类似于 java.util.AbstractListjava.util.AbstractSet 类。在创建自定义集合时,不用自己实现整个接口,只是继承抽象实现并填入细节。使用 AbstractQueue 时,必须为方法 offer() poll()peek() 提供实现。像 add()addAll() 这样的方法修改为使用 offer() ,而 clear()remove() 使用 poll() 。最后, element() 使用 peek() 。当然可以在子类中提供这些方法的优化实现,但是不是必须这么做。而且,不必创建自己的子类,可以使用几个内置的实现, 其中两个是不阻塞队列: PriorityQueueConcurrentLinkedQueue

PriorityQueueConcurrentLinkedQueue 类在 Collection Framework 中加入两个具体集合实现。 PriorityQueue 类实质上维护了一个有序列表。加入到 Queue 中的元素根据它们的天然排序(通过其 java.util.Comparable 实现)或者根据传递给构造函数的 java.util.Comparator 实现来定位。将清单 2 中的 LinkedList 改变为 PriorityQueue 将会打印出 Four 而不是 One,因为按字母排列 —— 字符串的天然顺序 —— Four 是第一个。 ConcurrentLinkedQueue 是基于链接节点的、线程安全的队列。并发访问不需要同步。因为它在队列的尾部添加元素并从头部删除它们,所以只要不需要知道队列的大小, ConcurrentLinkedQueue 对公共集合的共享访问就可以工作得很好。收集关于队列大小的信息会很慢,需要遍历队列。

新的 java.util.concurrent 包在 Collection Framework 中可用的具体集合类中加入了 BlockingQueue 接口和五个阻塞队列类。假如不熟悉阻塞队列概念,它实质上就是一种带有一点扭曲的 FIFO 数据结构。不是立即从队列中添加或者删除元素,线程执行操作阻塞,直到有空间或者元素可用。 BlockingQueue 接口的 Javadoc 给出了阻塞队列的基本用法,如清单 2 所示。生产者中的 put() 操作会在没有空间可用时阻塞,而消费者的 take() 操作会在队列中没有任何东西时阻塞。

清单 2. 使用 BlockingQueue

五个队列所提供的各有不同:

  • ArrayBlockingQueue :一个由数组支持的有界队列。
  • LinkedBlockingQueue :一个由链接节点支持的可选有界队列。
  • PriorityBlockingQueue :一个由优先级堆支持的无界优先级队列。
  • DelayQueue :一个由优先级堆支持的、基于时间的调度队列。
  • SynchronousQueue :一个利用 BlockingQueue 接口的简单聚集(rendezvous)机制。

前两个类 ArrayBlockingQueueLinkedBlockingQueue 几乎相同,只是在后备存储器方面有所不同, LinkedBlockingQueue 并不总是有容量界限。无大小界限的 LinkedBlockingQueue 类在添加元素时永远不会有阻塞队列的等待(至少在其中有 Integer.MAX_VALUE 元素之前不会)。

PriorityBlockingQueue 是具有无界限容量的队列,它利用所包含元素的 Comparable 排序顺序来以逻辑顺序维护元素。可以将它看作 TreeSet 的可能替代物。例如,在队列中加入字符串 One、Two、Three 和 Four 会导致 Four 被第一个取出来。对于没有天然顺序的元素,可以为构造函数提供一个 Comparator 。不过对 PriorityBlockingQueue 有一个技巧。从 iterator() 返回的 Iterator 实例不需要以优先级顺序返回元素。如果必须以优先级顺序遍历所有元素,那么让它们都通过 toArray() 方法并自己对它们排序,像 Arrays.sort(pq.toArray())

新的 DelayQueue 实现可能是其中最有意思(也是最复杂)的一个。加入到队列中的元素必须实现新的 Delayed 接口(只有一个方法 —— long getDelay(java.util.concurrent.TimeUnit unit) )。因为队列的大小没有界限,使得添加可以立即返回,但是在延迟时间过去之前,不能从队列中取出元素。如果多个元素完成了延迟,那么最早失效/失效时间最长的元素将第一个取出。实际上没有听上去这样复杂。清单 3 演示了这种新的阻塞队列集合的使用:

清单 3. 使用 DelayQueue 实现

这个例子首先是一个内部类 NanoDelay ,它实质上将暂停给定的任意纳秒(nanosecond)数,这里利用了 System 的新 nanoTime() 方法。然后 main() 方法只是将 NanoDelay 对象放到队列中并再次将它们取出来。如果希望队列项做一些其他事情,就需要在 Delayed 对象的实现中加入方法,并在从队列中取出后调用这个新方法。(请随意扩展 NanoDelay 以试验加入其他方法做一些有趣的事情。)显示从队列中取出元素的两次调用之间的时间差。如果时间差是负数,可以视为一个错误,因为永远不会在延迟时间结束后,在一个更早的触发时间从队列中取得项。

SynchronousQueue 类是最简单的。它没有内部容量。它就像线程之间的手递手机制。在队列中加入一个元素的生产者会等待另一个线程的消费者。当这个消费者出现时,这个元素就直接在消费者和生产者之间传递,永远不会加入到阻塞队列中。

新的 java.util.concurrent.ConcurrentMap 接口和 ConcurrentHashMap 实现只能在键不存在时将元素加入到 map 中,只有在键存在并映射到特定值时才能从 map 中删除一个元素。

有一个新的 putIfAbsent() 方法用于在 map 中进行添加。这个方法以要添加到 ConcurrentMap 实现中的键的值为参数,就像普通的 put() 方法,但是只有在 map 不包含这个键时,才能将键加入到 map 中。如果 map 已经包含这个键,那么这个键的现有值就会保留。 putIfAbsent() 方法是原子的。如果不调用这个原子操作,就需要从适当的同步块中调用清单 4 中的代码:

清单 4. 等价的 putIfAbsent() 代码

putIfAbsent() 方法一样,重载后的 remove() 方法有两个参数 —— 键和值。在调用时,只有当键映射到指定的值时才从 map 中删除这个键。如果不匹配,那么就不删除这个键,并返回 false。如果值匹配键的当前映射内容,那么就删除这个键。清单 5 显示了这种操作的等价源代码:

清单 5. 等价的 remove() 代码

在 Doug Lea 的 Concurrent Programming in Java一书的第 2 章第 2.4.4 节(请参阅 参考资料)中,对 copy-on-write 模式作了最好的描述。实质上,这个模式声明了,为了维护对象的一致性快照,要依靠不可变性(immutability)来消除在协调读取不同的但是相关的属性时需要的同步。对于集合,这意味着如果有大量的读(即 get() ) 和迭代,不必同步操作以照顾偶尔的写(即 add() )调用。对于新的 CopyOnWriteArrayListCopyOnWriteArraySet 类,所有可变的(mutable)操作都首先取得后台数组的副本,对副本进行更改,然后替换副本。这种做法保证了在遍历自身更改的集合时,永远不会抛出 ConcurrentModificationException 。遍历集合会用原来的集合完成,而在以后的操作中使用更新后的集合。

这些新的集合, CopyOnWriteArrayListCopyOnWriteArraySet ,最适合于读操作通常大大超过写操作的情况。一个最常提到的例子是使用监听器列表。已经说过,Swing 组件还没有改为使用新的集合。相反,它们继续使用 javax.swing.event.EventListenerList 来维护它们的监听器列表。

如清单 6 所示,集合的使用与它们的非 copy-on-write 替代物完全一样。只是创建集合并在其中加入或者删除元素。即使对象加入到了集合中,原来的 Iterator 也可以进行,继续遍历原来集合中的项。

清单 6. 展示一个 copy-on-write 集合

这个示例程序用命令行参数创建 CopyOnWriteArrayListArrayList 这两个实例。在得到每一个实例的 Iterator 后,分别在其中加入一个元素。当 ArrayList 迭代因一个 ConcurrentModificationException 问题而立即停止时, CopyOnWriteArrayList 迭代可以继续,不会抛出异常,因为原来的集合是在得到 iterator 之后改变的。如果这种行为(比如通知原来一组事件监听器中的所有元素)是您需要的,那么最好使用 copy-on-write 集合。如果不使用的话,就还用原来的,并保证在出现异常时对它进行处理。

在 J2SE 平台的 Tiger 版中有许多重要的增加。除了语言级别的改变,如一般性支持,这个库也许是最重要的增加了,因为它会被最广泛的用户使用。不要忽视加入到平台中的其他包,像 Java Management Extensions (JMX),但是大多数其他重要的库增强只针对范围很窄的开发人员。但是这个库不是。除了用于锁定和原子操作的其他并发实用程序,这些类也会经常使用。尽早学习它们并利用它们所提供的功能。

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