前兩篇文章中，爲各位帶來了，鎖的類型及鎖在Java中的實現。接下來本文將爲各位帶來鎖在Java中的應用相關知識。關注我的公衆號「Java面典」瞭解更多 Java 相關知識點。
鎖在Java中主要應用還是在JUC（java.util.concurrent）包下的相關類，常用的主要有原子類、原子集合以及阻塞隊列。
原子類（Atomicxxx）
AtomicLong
AtomicInteger、AtomicLong 和 AtomicBoolean 這3個基本類型的原子類的原理和用法相似。
作用
對 Long 進行原子操作。 在32位操作系統中，64位的 long 和 double 變量由於會被 JVM 當作兩個分離的 32 位來進行操作，所以不具有原子性。而使用 AtomicLong 能讓 long 的操作保持原子型。
實現原理
AtomicLong 主要依賴 CAS 原理實現。以 incrementAndGet() 爲例，其實現原理如下：
- incrementAndGet() 首先會根據 get() 獲取 AtomicLong 對應的 long 值；
- incrementAndGet() 接着將 current 加 1，然後通過 CAS 函數，將新的值賦值給 value。
AtomicIntegerArray
AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicReferenceArray這3個數組類型的原子類的原理和用法相似。
作用
AtomicLongArray 的作用則是對"長整形數組"進行原子操作。
實現原理
AtomicLongArray 和 AtomicLong 實現原理類似，也是依賴於 CAS 原理實現。以 addAndGet() 爲例，其實現原理如下：
public long addAndGet(int i, long delta) {
// 檢查數組是否越界
long offset = checkedByteOffset(i);
while (true) {
// 獲取long型數組的索引 offset 的原始值
long current = getRaw(offset);
// 修改long型值
long next = current + delta;
// 通過CAS更新long型數組的索引 offset的值。
if (compareAndSetRaw(offset, current, next))
return next;
}
}
- 首先檢查數組是否越界；
- 若未越界，採取和 AtomcitLong 一樣的方式進行值更新。
AtomicReference
作用
AtomicReference 是作用是對"對象"進行原子操作。
實現原理
AtomicReference 是通過"volatile"和"Unsafe提供的CAS函數實現"原子操作。其實現原理如下：
- 首先 AtomicReference 類的 value 是 volatile 類型。這保證了：當某線程修改 value 的值時，其他線程看到的 value 值都是最新的 value 值，即修改之後的 volatile 的值；
- 通過 CAS 設置 value。這保證了：當某線程池通過 CAS 函數(如 compareAndSet 函數)設置 value 時，它的操作是原子的，即線程在操作 value 時不會被中斷。
AtomicIntegerFieldUpdater
AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater、AtomicReferenceFieldUpdater 這 3 個修改類的成員的原子類型的原理和用法相似。
作用
AtomicLongFieldUpdater 可以對指定"類的 'volatile long'類型的成員"進行原子更新。它是基於反射原理實現的。
實現原理
以 newUpdater() 爲例，其實現原理如下：
public static <U> AtomicLongFieldUpdater<U> newUpdater(Class<U> tclass, String fieldName) {
Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();
if (AtomicLong.VM_SUPPORTS_LONG_CAS)
return new CASUpdater<U>(tclass, fieldName, caller);
else
return new LockedUpdater<U>(tclass, fieldName, caller);
}
- newUpdater() 實際上返回的是CASUpdater對象，或者LockedUpdater對象；
- 具體返回哪一個類取決於 JVM 是否支持 long 類型的 CAS 函數;
- CASUpdater 和 LockedUpdater 都是 AtomicIntegerFieldUpdater 的子類，它們的實現類似。
原子集合（CopyOnWritexxx、Concurrentxxx）
CopyOnWriteArrayList
CopyOnWriteArrayList 與 CopyOnWriteArraySet 的作用類似，不過一個是動態數組，一個是散列表，其實現原理類似。
作用
CopyOnWriteArrayList 相當於線程安全的 ArrayList 。
實現原理
動態數組實現：
- 在其內部有個“volatile數組”(array)來存儲數據；
- 在“添加/修改/刪除”數據時，都會新建一個數組，並將更新後的數據拷貝到新建的數組中;
- 最後再將該數組賦值給“volatile數組”。
線程安全實現:
CopyOnWriteArrayList 的線程安全是通過 volatile 和互斥鎖來實現的。
- CopyOnWriteArrayList 是通過“volatile數組”來保存數據的。一個線程讀取volatile數組時，總能看到其它線程對該 volatile 變量最後的寫入；就這樣，通過 volatile 提供了“讀取到的數據總是最新的”這個機制的保證。
- CopyOnWriteArrayList 通過互斥鎖來保護數據。在“添加/修改/刪除”數據時，會先“獲取互斥鎖”，再修改完畢之後，先將數據更新到“volatile數組”中，然後再“釋放互斥鎖”；這樣，就達到了保護數據的目的。
CopyOnWriteArrayList 與 ArrayList 區別
- CopyOnWriteArrayList 是線程安全的；
- 因爲通常需要複製整個基礎數組，所以可變操作（add()、set() 和 remove() 等等）的開銷很大；
- 迭代器支持 hasNext()，next() 等不可變操作，但不支持可變 remove() 等操作；
- 使用迭代器進行遍歷的速度很快，並且不會與其他線程發生衝突。在構造迭代器時，迭代器依賴於不變的數組快照。
適用範圍
CopyOnWriteArrayList 最適合於具有以下特徵的應用程序：
- List 大小通常保持很小；
- 只讀操作遠多於可變操作；
- 需要在遍歷期間防止線程間的衝突。
ConcurrentHashMap
與 ConcurrentHashMap 類似的還有 ConcurrentSkipListMap、ConcurrentSkipListSet。ConcurrentHashMap 的實現原理可以在我往期的文章中查看。ConcurrentHashMap 傳送門
阻塞隊列（xxxQueue）
阻塞情況
在阻塞隊列中，隊列阻塞有這樣的兩種情況：
- 當隊列中沒有數據的情況下，消費者端的所有線程都會被自動阻塞（掛起），直到有數據放入隊列；
- 當隊列中填滿數據的情況下，生產者端的所有線程都會被自動阻塞（掛起），直到隊列中有空的位置，線程被自動喚醒。
常用方法
| 方法類型 | 拋出異常 | 特殊值 | 阻塞 | 超時 |
|---|---|---|---|---|
| 插入 | add(e) | offer(e) | put(e) | offer(e, time, unit) |
| 移除 | remove() | poll() | take() | pull(time, uinit) |
| 檢查 | element() | peek() | 不可用 | 不可用 |
- 拋出異常：拋出一個異常；
- 特殊值：返回一個特殊值（null 或 false，視情況而定）；
- 則塞：在成功操作之前，一直阻塞線程；
- 超時：放棄前只在最大的時間內阻塞。
ArrayBlockingQueue（公平、非公平）
本質：用數組實現的有界阻塞隊列。
特點
- 此隊列按照先進先出（FIFO）的原則對元素進行排序；
- 默認情況下不保證訪問者公平的訪問隊列；
- 公平訪問隊列是指阻塞的所有生產者線程或消費者線程，當隊列可用時，可以按照阻塞的先後順序訪問隊列;
- 通常情況下爲了保證公平性會降低吞吐量。
// 創建一個公平的阻塞隊列
ArrayBlockingQueue fairQueue = new ArrayBlockingQueue(1000,true);
LinkedBlockingQueue（兩個獨立鎖提高併發）
本質：由鏈表結構組成的有界阻塞隊列，與 ArrayListBlockingQueue 類似。
特點
- 此隊列按照先進先出（FIFO）的原則對元素進行排序；
- 對於生產者端和消費者端分別採用了獨立的鎖來控制數據同步，在高併發的情況下生產者和消費者可以並行地操作隊列中的數據，以此來提高整個隊列的併發性能；
- LinkedBlockingQueue 會默認一個類似無限大小的容量（Integer.MAX_VALUE）。
PriorityBlockingQueue（compareTo 排序實現優先）
本質：支持優先級排序的無界阻塞隊列。
特點
- 默認情況下元素採取自然順序升序排列；
- 可以自定義實現 compareTo() 方法來指定元素進行排序規則，或者初始化 PriorityBlockingQueue 時，指定構造參數 Comparator 來對元素進行排序。
PriorityBlockingQueue 不能保證同優先級元素的順序。
DelayQueue（緩存失效、定時任務 ）
本質：使用優先級隊列實現的無界阻塞隊列。
特點
- 隊列使用 PriorityQueue 來實現；
- 隊列中的元素必須實現 Delayed 接口，在創建元素時可以指定多久才能從隊列中獲取當前元素。只有在延遲期滿時才能從隊列中提取元素。
適用場景
- 緩存系統的設計：可以用 DelayQueue 保存緩存元素的有效期，使用一個線程循環查詢 DelayQueue，一旦能從 DelayQueue 中獲取元素時，表示緩存有效期到了。
- 定時任務調度：使用 DelayQueue 保存當天將會執行的任務和執行時間，一旦從 DelayQueue 中獲取到任務就開始執行，從比如 TimerQueue 就是使用 DelayQueue 實現的。
SynchronousQueue（不存儲數據、可用於傳遞數據）
本質：不存儲元素的阻塞隊列。
特點
- 每一個 put 操作必須等待一個 take 操作，否則不能繼續添加元素;
- 隊列本身並不存儲任何元素，只是負責把生產者線程處理的數據直接傳遞給消費者線程。
適用場景
適合於傳遞性場景，比如在一個線程中使用的數據，傳遞給另外一個線程使用。
SynchronousQueue 的吞吐量高於 LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue。
LinkedTransferQueue
本質：由鏈表結構組成的無界阻塞隊列。
特點
相對於其他阻塞隊列，LinkedTransferQueue 多了 tryTransfer 和 transfer 方法。
- transfer 方法：如果當前有消費者正在等待接收元素（消費者使用 take()方法或帶時間限制的poll()方法時），transfer 方法可以把生產者傳入的元素立刻 transfer（傳輸）給消費者。如果沒有消費者在等待接收元素，transfer 方法會將元素存放在隊列的 tail 節點，並等到該元素被消費者消費了才返回。
- tryTransfer 方法。則是用來試探下生產者傳入的元素是否能直接傳給消費者。如果沒有消費者等待接收元素，則返回 false。對於帶有時間限制的 tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit)方法，則是試圖把生產者傳入的元素直接傳給消費者，但是如果沒有消費者消費該元素則等待指定的時間再返回，如果超時還沒消費元素，則返回 false，如果在超時時間內消費了元素，則返回 true。
和 transfer 方法的區別是 tryTransfer 方法無論消費者是否接收，方法立即返回。而 transfer 方法是必須等到消費者消費了才返回。
LinkedBlockingDeque
本質：由鏈表結構組成的雙向阻塞隊列。
特點
- 可以從隊列的兩端插入和移出元素；
- 雙端隊列因爲多了一個操作隊列的入口，在多線程同時入隊時，也就減少了一半的競爭；
- 相比其他的阻塞隊列，LinkedBlockingDeque 多了 addFirst，addLast，offerFirst，offerLast，peekFirst，peekLast 等方法。
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