Java并发并发编程实战-并发容器和同步工具类

并发容器

设计原理
- 分段锁（JDK 7） ：将数据分成多个段（Segment），每个段独立加锁，不同段的操作可并行执行。
- CAS + synchronized（JDK 8+） ：取消分段锁，改用CAS（无锁算法）和细粒度synchronized锁桶（Node），进一步提升并发性能。
核心特性
- 线程安全：支持多线程并发读写，无需外部同步。
- 高吞吐量：锁的粒度更细，减少线程竞争。
- 弱一致性：迭代器遍历时可能不反映最新修改（但不抛出ConcurrentModificationException）。
适用场景
- 高并发读写（如缓存、计数器）。
- 替代Hashtable或Collections.synchronizedMap。
对比传统同步容器
特性 ConcurrentHashMapHashtable/synchronizedMap

锁粒度 细粒度（桶级别）粗粒度（整个表）

并发性能 高低

迭代器一致性 弱一致性强一致性（可能抛出异常）

设计原理
- 写时复制（Copy-On-Write） ：每次修改（增、删、改）时，复制底层数组，在新副本上操作，完成后替换原数组。
- 读操作无锁：直接访问原数组，无需同步。
- 写操作加锁：保证同一时刻只有一个线程修改。
核心特性
- 线程安全：读操作完全无锁，写操作通过复制保证安全。
- 数据一致性：迭代器遍历的是创建时的数组快照，不反映后续修改。
- 内存开销：频繁修改会导致大量数组复制，占用内存。
适用场景
- 读多写极少（如监听器列表、配置白名单）。
- 替代Collections.synchronizedList，在读远多于写时性能更优。
对比传统同步容器
特性 CopyOnWriteArrayListsynchronizedList

读性能 无锁，极高需加锁，较低

写性能 复制数组，较低直接修改，较高

内存占用 高（频繁写时）低

数据一致性 快照一致性强一致性

实现类数据结构特性

`ArrayBlockingQueue`	数组	有界队列，固定容量，公平性可选（基于`ReentrantLock`）
`LinkedBlockingQueue`	链表	可选有界或无界（默认`Integer.MAX_VALUE`），吞吐量通常更高
`PriorityBlockingQueue`	堆（优先级队列）	无界队列，元素按优先级排序（需实现`Comparable`或提供`Comparator`）
`SynchronousQueue`	无存储	直接传递队列，插入操作必须等待取出操作（无缓冲，适合线程间直接传递任务）
`DelayQueue`	堆（延迟队列）	无界队列，元素需实现`Delayed`接口，按到期时间排序（用于定时任务调度）
`LinkedTransferQueue`	链表	混合阻塞队列，支持`transfer`方法（生产者直接等待消费者取走元素）

队列容量
- 有界队列（如ArrayBlockingQueue）：避免内存溢出，但需合理设置容量，防止任务被拒绝。
- 无界队列（如LinkedBlockingQueue）：可能因任务堆积导致内存耗尽，需谨慎使用。
公平性
- 公平锁（fairness=true）减少线程饥饿，但降低吞吐量；非公平锁（默认）反之。
```
ArrayBlockingQueue<Integer> fairQueue = new ArrayBlockingQueue<>(100, true);
```
特殊需求
- 优先级调度 → PriorityBlockingQueue
- 延迟任务 → DelayQueue
- 直接传递任务 → SynchronousQueue

核心功能
- 一次性屏障：允许一个或多个线程等待其他线程完成操作后再继续执行。
- 计数器递减：初始化时设定计数值（count），线程调用countDown()减少计数，计数归零时唤醒等待线程。
主要方法
- CountDownLatch(int count) ：构造函数，指定初始计数。
- await() ：阻塞当前线程，直到计数归零。
- countDown() ：减少计数值，计数为0时唤醒所有等待线程。
使用场景：主线程等待所有子任务完成；多线程等待同一事件触发（如模拟并发测试）

核心功能
- 控制资源访问的并发数：通过许可证（permits）限制同时访问某资源的线程数量。
- 可公平/非公平模式：默认非公平，按请求顺序或竞争获取许可证。
主要方法
- Semaphore(int permits) ：构造函数，指定许可证数量。
- acquire() ：获取许可证（若无可用则阻塞）。
- release() ：释放许可证。
- tryAcquire() ：非阻塞尝试获取许可证。
使用场景：限流（如数据库连接池）；实现互斥锁（许可证为1的信号量）

核心功能
- 可重置的屏障：让一组线程相互等待，直到所有线程到达屏障点后同时继续执行。
- 支持回调：所有线程到达屏障后，可触发一个Runnable任务。
主要方法
- CyclicBarrier(int parties) ：构造函数，指定参与的线程数。
- CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) ：指定到达屏障后的回调任务。
- await() ：线程到达屏障点并等待其他线程。
使用场景：分阶段并行计算；多线程数据合并（如分布式计算）

工具核心机制重用性典型场景