并发容器
ConcurrentHashMap
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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。
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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）。
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适用场景
- 高并发读写（如缓存、计数器）。
- 替代
Hashtable或Collections.synchronizedMap。
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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）
CopyOnWriteArrayList
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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。
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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。
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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。
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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
并发容器适用场景
- 高并发读写 →
ConcurrentHashMap - 读多写极少 →
CopyOnWriteArrayList - 写多读少 → 考虑
ConcurrentLinkedQueue或阻塞队列（如LinkedBlockingQueue） - 强一致性需求 → 慎用
CopyOnWriteArrayList，优先使用锁同步的容器。
阻塞队列
Java阻塞队列
| 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） |
阻塞队列的工作原理
- 线程安全机制 ：内部通过
ReentrantLock和Condition实现线程同步 - 锁分离 ：插入和取出操作使用不同的锁（如
LinkedBlockingQueue的putLock和takeLock），减少竞争。 - 条件变量 ：队列空或满时，通过
Condition的await()和signal()实现阻塞与唤醒。
阻塞队列的典型使用场景
- 生产者-消费者模式：适合任务量不可控但需快速响应的场景（如日志处理）。
- 线程池任务调度 ：Java线程池（如
ThreadPoolExecutor）默认使用LinkedBlockingQueue存储待执行任务。 - 流量削峰与系统解耦：在高并发场景下，用队列缓冲瞬时流量，保护下游系统。
阻塞队列的选择与调优
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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。
- 有界队列 （如
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公平性
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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。iniArrayBlockingQueue<Integer> fairQueue = new ArrayBlockingQueue<>(100, true);
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特殊需求
- 优先级调度 →
PriorityBlockingQueue - 延迟任务 →
DelayQueue - 直接传递任务 →
SynchronousQueue
- 优先级调度 →
阻塞队列的常见问题
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死锁风险
- 场景：多个线程互相等待对方释放资源。
- 解决 ：使用超时方法（如
poll(timeout)），避免无限阻塞。
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资源耗尽
- 场景：无界队列导致内存溢出。
- 解决 ：改用有界队列，配合拒绝策略（如线程池的
RejectedExecutionHandler）。
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性能瓶颈
- 场景：队列成为系统吞吐量的瓶颈。
- 解决 ：优化队列类型（如
LinkedTransferQueue提升吞吐量），或增加消费者线程。
同步工具类
CountDownLatch
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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。
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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。
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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）
Semaphore
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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。
- 控制资源访问的并发数 ：通过许可证（
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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。
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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）
CyclicBarrier
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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。
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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。
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使用场景：分阶段并行计算；多线程数据合并（如分布式计算）
同步工具对比与选型
| 工具 | 核心机制 | 重用性 | 典型场景 |
|---|---|---|---|
CountDownLatch |
等待其他线程完成 | 一次性 | 主线程等待子任务、并发触发 |
Semaphore |
控制资源访问并发数 | 可重用 | 限流、资源池（如数据库连接） |
CyclicBarrier |
多线程相互等待至屏障点 | 可重用 | 分阶段任务、数据合并 |