第六章 Java并发容器和框架
6.1ConcurrentHashMap的实现原理和使用
ConcurrentHashMap式线程安全且高效的HashMap。
6.1.1为什么要选择ConcurrentHashMap
1.线程不安全的HashMap
2.效率低下的HashTable
HashTable使用synchronized来保证线程的安全，在线程激烈的情况下，Hashtable的效率低
3.ConcurrentHashMap的锁分离技术可有效提升并发访问率
首先将数据分成一段一段地存储，然后给每一段数据配一把锁，当每一个线程占用锁访问其中一个段数据的时候，其他段的数据也能被其他线程访问。
6.1.2ConcurrentHashMap的结构
ConcurrentHashMap是由Segment数据结构和HashEntry数组组成，Segment是一种可重入锁，在ConcurrentHashMap里扮演锁的角色；HashEntry则用于存储键值对数据。一个ConcurrentHashMap里包含一个Segment数组。Segment的结构和HashMap类似，是一种数组和链表机构，一个Segment里包含一个HashEntry数组，每个HashEntry是一个链表的结构元素，每个Segment守护一个HashEntry数组里的元素，当对HashEntry数组的数据进行修改的，必须首先对它随影的Segment锁。
6.1.3ConcurrentHashMap的初始化
initCapacity、loadFactor和concurrentLevel等几个参数初始化segment数组、段偏移量segmentShift、段掩码segmentMask和每个segment里的HashEntry数组来实现。
1.初始化segments数组
segment数组长度是2的N次方，默认值是16
2.初始化segmentShift和segmentMask
segmentShift用于定位参与散列算法的位数，segmentShift等于32减去sshift，所以等于28，segmentMask等于sszie减1，也就是15位。
3.初始化每个semengt
默认清咖滚下HashEntry的长度是1
6.1.4定位Segment
首先使用hashcode，然后使用一个算法对元素的hashcode再次hash。
这样做的好处是减少散列冲突，使元素能够均匀的分布在不同的Segment上，从而提高容器的存取效率。
定位Segment的算法：
segmentShift最高的4位于segmentMask相于
6.1.5ConcurrentHashMap的操作
1.get操作
操作简单高效，先经过一次散列，然后再次散列定位到Segment，不需要加锁，除非读到的值是空才会加锁。
2.put操作
必须加锁，需要进行两步操作
1.是否扩容
判断是否达到阈值，如果达到，那么将会扩容到原来的两倍，然后将原数组元素再散列后插入到新数组中。
2.将元素放在HashEntry中
3.size操作
先尝试2次通过不锁住Segment的方式来统计各个Segment大小，如果统计的过程中，容器的count发生变化，则再采用加锁的方式来统计所有的Segment大小。
6.2ConcurrentLinkedQueue
基于链接节点的无解线程安全队列，采用先进先出的规则对节点进行排序，当我们添加一个元素的时候，他会添加队列的尾部；当我们获取一个元素时，他会返回队列的元素。他采用了wait-free算法(CAS算法)来实现。
6.2.1ConcurrentLinkedQueue的结构
6.2.2入队列
1.入队列的过程
入队列就是将入队节点添加到队列的尾部。
入队列做了两件事情：
1.将入队节点设置成当前队列尾节点的写一个节点
2更新tail节点，如果tail节点的next节点不为空，则将插入节点设置为tail节点，如果tail节点的next节点为空，则将入队列节点设置tail的next即诶单，所以tail节点不总是尾节点。
2.定位尾节点
3.设置入队节点为尾节点
6.2.3出队列
出队列时从队列返回一个节点元素，比轻轻空盖即诶单对元素的引用。
并不是每一次都更新head节点，当head里面有元素的时候直接弹出节点的元素，否者更新head。
这样做是减少CAS更新head节点的消耗，提高出队效率。
6.3Java中的阻塞队列
6.3.1什么时阻塞队列
阻塞是支持两个附加操作的队列。
1.支持阻塞的支持方法：当队列满的时候，队列回族塞插入元素的线程，直到队列不满
2.支持阻塞的移除方法：意思是在队列为空时，互殴去元素的线程会等待队列变为非空。
6.3.2Java里的阻塞队列
ArrayBlockingQueue：数据结构组成的有界阻塞队列
LinkedBlokingQueue:一个链表结构组成的有界组塞队列
PriorityBlockingQueue:一个支持优先级排序的无界阻塞队列
DealyQueue:一个使用优先级队列实现的无界阻塞队列
SynchronousQueue：一个不存储元素的组塞队列
LinkedTransferQueue:一个链表结构组成的无界阻塞队列
LinkedBlockingDeque：链表结构组成的双向阻塞队列
1.ArrayBlockingQueue
FIFO，不保证公平访问
2.LinkedBlockingQueue
FIFO
3.PriorityBlockingQueue
支持优先级，不保证同优先级元素的顺序
4.DelayQueue
通过使用PrioprityQueue来实现，队列中的元素必须实现Delayed接口，只有时间到了，才从队列中出来
缓存系统的设计
定时任务调度
5.SynchronousQueue
一个put操作必须等待一个take操作
支持公平访问
默认不公平
适合传递场景
6.LinkedTransferQueue
1.transfer方法
将生产者传入的元素立刻传递给消费者，如果没有消费者接受，放在tail，然后自旋等待
2.tryTransfer方法
试探生产者传入的元素是否能直接传递给消费者，如果没有消费者接受，返回false
7.LinkedBlockingDeque
6.3.3阻塞队列的实现原理
使用通知模式实现
当生产者往满的队列里添加元素，会阻塞住生产者，当消费者消费一个队列中的元素后，会通知生产者当前队列可用。
6.4Fork/Join框架
6.4.1什么时Fork/Join框架
是将一个大人物分割成若干小任务，最终汇总每个小任务结果后得到大任务结果的框架。
Fork就是将一个大任务切分成为若干字任务并行的执行，Join就是合并这些字任务的执行结果，最后得到这个大任务结果。
流程图如下：
6.4.2工作窃取算法
工作窃取算法值得时某个线程从其他队列里窃取任务来执行。
使用工作窃取算法，多个线程会访问统一队列，所以为了减少窃取任何线程和被窃取任务线程之间的竞争，通常会使用双端队列，被窃取任务线程永远从双端队列的头部哪去任务执行，而窃取任务的线程永远都会从尾部拿去任务。
优点：充分利用线程进行并行计算，减少线程间的竞争。
缺点：存在竞争情况，例如队列直邮一个任务
6.4.3Fork/Join框架的设计
设计思想：
1.任务分割：fork类将大任务分割成为子任务，有可能很大还需要不停的分割
2.执行任务合并结果：子任务放入双端队列，然后几个启动线程分别从双端队列里获取任务执行。
Fork/Join使用来个类完成这两件事情。
1.ForkJoinTask:创建一个ForkJoin()任务，执行fork()和join()操作的机制
RecursiveAction:用于没有返回结果的任务
RecusiveTask：用于有返回结果的任务
6.4.4使用Fork/Join框架
package cn.edu.hust.ForkJoin;
import java.util.concurrent.*;
public class CountInt extends RecursiveTask<Integer> {
private static final int threshold=2;
private int start;
private int end;
public CountInt(int start, int end) {
this.start = start;
this.end = end;
}
@Override
protected Integer compute() {
int sum=0;
boolean flag=(end-start)<=threshold;
if(flag)
{
for(int i=start;i<=end;i++)
{
sum+=i;
}
}
else
{
int mid=(start+end)/2;
CountInt left=new CountInt(start,mid-1);
CountInt right=new CountInt(mid,end);
left.fork();
right.fork();
int sum1=left.join();
int sum2=right.join();
sum=sum1+sum2;
}
return sum;
}
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
ForkJoinPool pool=new ForkJoinPool();
CountInt t=new CountInt(0,100);
Future<Integer> result=pool.submit(t);
System.out.println(result.get());
}
}
6.4.5Fork/Join框架的异常处理
有时候会抛出异常，主线程无法捕捉异常，使用ForkJoinTask提供的isCompletedAbnormally()来检查异常或者任务别取消，task.getExceptioon()如果任务没有完成，返回null
6.4.6Fork/Join框架的实现原理
ForkJoinPool由ForkJoinTask数组和ForkJoinWorkerThread数组组成，ForkJoinTask数组负责将存放程序提交给ForkJoinPool的任务，而ForkJoinWorkerThread数组负责执行这些任务。
(1)ForkJoinTask的fork方法实现原理
fork方法时，程序会调用ForkJoinWorkerThread的pushTask方法一步的执行这个任务，然后立即放回结果。然后调用ForkJoinPool的singalWork（）方法唤醒或者创建一个线程来执行任务。
(2)ForkJoinTask的join方法来实现原理
Join方法主要的作用是阻塞当前线程并等待获取结果。调用doJoin()方法判断当前任务状态，有四种状态：已完成、被取消、信号和出现异常
完成，返回执行结果
被取消 抛出异常
抛出异常 直接抛出异常
doJoin()方法，没有执行完成，那么等待执行，执行完成设置状态位normal，抛出异常，状态设置为异常。