關於java.util.concurrent您不知道的 5 件事，第1部分

通過並發 Collections 進行多線程編程

Concurrent Collections 是 Java™ 5 的巨大附加產品，但是在關於注釋和泛型的爭 執中很多 Java 開發人員忽視了它們。此外（或者更老實地說），許多開發人員避免使用這個 數據包，因為他們認為它一定很復雜，就像它所要解決的問題一樣。

事實上，java.util.concurrent 包含許多類，能夠有效解決普通的並發問題，無需復雜工 序。閱讀本文，了解 java.util.concurrent 類，比如 CopyOnWriteArrayList 和 BlockingQueue 如何幫助您解決多線程編程的棘手問題。

1. TimeUnit

盡管本質上 不是 Collections 類，但 java.util.concurrent.TimeUnit 枚舉讓代碼更易讀懂。使用 TimeUnit 將使用您的方法或 API 的開發人員從毫秒的 “暴政” 中解放出來。

TimeUnit 包括所有時間 單位，從 MILLISECONDS 和 MICROSECONDS 到 DAYS 和 HOURS，這就意味著它能夠處理一個開 發人員所需的幾乎所有的時間范圍類型。同時，因為在列舉上聲明了轉換方法，在時間加快時 ，將 HOURS 轉換回 MILLISECONDS 甚至變得更容易。

2. CopyOnWriteArrayList

創建數組的全新副本是過於昂貴的操作，無論是從時間上，還是 從記憶開銷上，因此在通常使用中很少考慮；開發人員往往求助於使用同步的 ArrayList。然 而，這也是一個成本較高的選擇，因為每當您跨集合內容進行迭代時，您就不得不同步所有操 作，包括讀和寫，以此保證一致性。

這又讓成本結構退回到這樣一個場景：很多讀者都 在閱讀 ArrayList，但是幾乎沒人會去修改它。

CopyOnWriteArrayList 是個巧妙的小 寶貝，能解決這一問題。它的 Javadoc 將 CopyOnWriteArrayList 定義為一個 “ArrayList 的線程安全變體，在這個變體中所有易變操作（添加，設置等）可以通過復 制全新的數組來實現”。

集合從內部將它的內容復制到一個沒有修改的新數組，這樣讀者訪問數組內容時就不會產生 同步成本（因為他們從來不是在易變數據上操作）。

本質上講，CopyOnWriteArrayList 對處理 ArrayList 讓我們失敗這種場景是很理想的：讀 取頻繁，但很少有寫操作的集合，例如 JavaBean 事件的 Listeners。

3. BlockingQueue

BlockingQueue 界面表示它是一個 Queue，意思是它的項以先入先出（FIFO）順序存儲。在 特定順序插入的項以相同的順序檢索 — 但是需要附加保證，從空隊列檢索一個項的任何嘗試 都會阻塞調用線程，直到這個項准備好被檢索。同理，想要將一個項插入到滿隊列的嘗試也會 導致阻塞調用線程，直到隊列的存儲空間可用。

BlockingQueue 干淨利落地解決了如何將一個線程收集的項“傳遞”給另一線程用於處理的 問題，無需考慮同步問題。Java Tutorial 的 Guarded Blocks 試用版就是一個很好的例子。 它構建一個單插槽綁定的緩存，當新的項可用，而且插槽也准備好接受新的項時，使用手動同 步和 wait()/notifyAll() 在線程之間發信。

盡管 Guarded Blocks 教程中的代碼有效，但是它耗時久，混亂，而且也並非完全直觀。退 回到 Java 平台較早的時候，沒錯，Java 開發人員不得不糾纏於這種代碼；但現在是 2010 年 — 情況難道沒有改善？

清單 1 顯示了 Guarded Blocks 代碼的重寫版，其中我使用了一個 ArrayBlockingQueue， 而不是手寫的 Drop。

清單 1. BlockingQueue

import　java.util.*;
import　java.util.concurrent.*;

class　Producer
　　 implements　Runnable
{
　　 private　BlockingQueue<String>　drop;
　　 List<String>　messages　=　Arrays.asList(
　　　　 "Mares　eat　oats",
　　　　 "Does　eat　oats",
　　　　 "Little　lambs　eat　ivy",
　　　　 "Wouldn't　you　eat　ivy　too?");

　　 public　Producer(BlockingQueue<String>　d)　{　this.drop　=　d;　}

　　 public　void　run()
　　 {
　　　　 try
　　　　 {
　　　　　　 for　(String　s　:　messages)
　　　　　　　　 drop.put(s);
　　　　　　 drop.put("DONE");
　　　　 }
　　　　 catch　(InterruptedException　intEx)
　　　　 {
　　　　　　 System.out.println("Interrupted!　"　+
　　　　　　　　 "Last　one　out,　turn　out　the　lights!");
　　　　 }
　　 }
}

class　Consumer
　　 implements　Runnable
{
　　 private　BlockingQueue<String>　drop;
　　 public　Consumer(BlockingQueue<String>　d)　{　this.drop　=　d;　}

　　 public　void　run()
　　 {
　　　　 try
　　　　 {
　　　　　　 String　msg　=　null;
　　　　　　 while　(!((msg　=　drop.take()).equals("DONE")))
　　　　　　　　 System.out.println(msg);
　　　　 }
　　　　 catch　(InterruptedException　intEx)
　　　　 {
　　　　　　 System.out.println("Interrupted!　"　+
　　　　　　　　 "Last　one　out,　turn　out　the　lights!");
　　　　 }
　　 }
}

public　class　ABQApp
{
　　 public　static　void　main(String[]　args)
　　 {
　　　　 BlockingQueue<String>　drop　=　new　ArrayBlockingQueue(1,　 true);
　　　　 (new　Thread(new　Producer(drop))).start();
　　　　 (new　Thread(new　Consumer(drop))).start();
　　 }
}

ArrayBlockingQueue 還體現了“公平” — 意思是它為讀取器和編寫器提供線程先入先出 訪問。這種替代方法是一個更有效，但又冒窮盡部分線程風險的政策。（即，允許一些讀取器 在其他讀取器鎖定時運行效率更高，但是您可能會有讀取器線程的流持續不斷的風險，導致編 寫器無法進行工作。）

注意 Bug！

順便說一句，如果您注意到 Guarded Blocks 包含一個重大 bug，那麼您是對的 — 如果開 發人員在 main() 中的 Drop 實例上同步，會出現什麼情況呢？

BlockingQueue 還支持接收時間參數的方法，時間參數表明線程在返回信號故障以插入或者 檢索有關項之前需要阻塞的時間。這麼做會避免非綁定的等待，這對一個生產系統是致命的， 因為一個非綁定的等待會很容易導致需要重啟的系統掛起。

4. ConcurrentMap

Map 有一個微妙的並發 bug，這個 bug 將許多不知情的 Java 開發人員引入歧途。 ConcurrentMap 是最容易的解決方案。

當一個 Map 被從多個線程訪問時，通常使用 containsKey() 或者 get() 來查看給定鍵是 否在存儲鍵/值對之前出現。但是即使有一個同步的 Map，線程還是可以在這個過程中潛入，然 後奪取對 Map 的控制權。問題是，在對 put() 的調用中，鎖在 get() 開始時獲取，然後在可 以再次獲取鎖之前釋放。它的結果是個競爭條件：這是兩個線程之間的競爭，結果也會因誰先 運行而不同。

如果兩個線程幾乎同時調用一個方法，兩者都會進行測試，調用 put，在處理中丟失第一線 程的值。幸運的是，ConcurrentMap 接口支持許多附加方法，它們設計用於在一個鎖下進行兩 個任務：putIfAbsent()，例如，首先進行測試，然後僅當鍵沒有存儲在 Map 中時進行 put。

5. SynchronousQueues

根據 Javadoc，SynchronousQueue 是個有趣的東西：

這是一個阻塞隊列，其中，每個插入操作必須等待另一個線程的對應移除操作，反之亦然。 一個同步隊列不具有任何內部容量，甚至不具有 1 的容量。

本質上講，SynchronousQueue 是之前提過的 BlockingQueue 的又一實現。它給我們提供了 在線程之間交換單一元素的極輕量級方法，使用 ArrayBlockingQueue 使用的阻塞語義。在清 單 2 中，我重寫了 清單 1 的代碼，使用 SynchronousQueue 替代 ArrayBlockingQueue：

清單 2. SynchronousQueue

import　java.util.*;
import　java.util.concurrent.*;

class　Producer
　　 implements　Runnable
{
　　 private　BlockingQueue<String>　drop;
　　 List<String>　messages　=　Arrays.asList(
　　　　 "Mares　eat　oats",
　　　　 "Does　eat　oats",
　　　　 "Little　lambs　eat　ivy",
　　　　 "Wouldn't　you　eat　ivy　too?");

　　 public　Producer(BlockingQueue<String>　d)　{　this.drop　=　d;　}

　　 public　void　run()
　　 {
　　　　 try
　　　　 {
　　　　　　 for　(String　s　:　messages)
　　　　　　　　 drop.put(s);
　　　　　　 drop.put("DONE");
　　　　 }
　　　　 catch　(InterruptedException　intEx)
　　　　 {
　　　　　　 System.out.println("Interrupted!　"　+
　　　　　　　　 "Last　one　out,　turn　out　the　lights!");
　　　　 }
　　 }
}

class　Consumer
　　 implements　Runnable
{
　　 private　BlockingQueue<String>　drop;
　　 public　Consumer(BlockingQueue<String>　d)　{　this.drop　=　d;　}

　　 public　void　run()
　　 {
　　　　 try
　　　　 {
　　　　　　 String　msg　=　null;
　　　　　　 while　(!((msg　=　drop.take()).equals("DONE")))
　　　　　　　　 System.out.println(msg);
　　　　 }
　　　　 catch　(InterruptedException　intEx)
　　　　 {
　　　　　　 System.out.println("Interrupted!　"　+
　　　　　　　　 "Last　one　out,　turn　out　the　lights!");
　　　　 }
　　 }
}

public　class　SynQApp
{
　　 public　static　void　main(String[]　args)
　　 {
　　　　 BlockingQueue<String>　drop　=　new　 SynchronousQueue<String>();
　　　　 (new　Thread(new　Producer(drop))).start();
　　　　 (new　Thread(new　Consumer(drop))).start();
　　 }
}

實現代碼看起來幾乎相同，但是應用程序有額外獲益：SynchronousQueue 允許在隊列進行 一個插入，只要有一個線程等著使用它。

在實踐中，SynchronousQueue 類似於 Ada 和 CSP 等語言中可用的 “會合通道”。這些通 道有時在其他環境中也稱為 “連接”，這樣的環境包括 .NET 。

結束語

當 Java 運行時知識庫提供便利、預置的並發性時，為什麼還要苦苦掙扎，試圖將並發性導 入到您的 Collections 類？本系列的下一篇文章將會進一步探討 java.util.concurrent 名稱 空間的內容。

原文地址：http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-5things4.html