2.7 线程安全的集合类
集合类是 Java 编程语言中的一组数据结构，用于存储和操作数据。集合类提供了一种组织和管理数据的方式，可以用于实现各种编程需求。Java 的集合类非常丰富，包括多种不同类型的集合，每种都适用于不同的使用场景。在 Java 基础中学习的几种集合类都不是线程安全的，因此我们需要重新学习几种线程安全的集合类。
虽说如此，但学习线程安全集合类是非常容易的。因为它们都能从 Java 基础集合类中找到对应，而且它们的操作方法几乎是一模一样的。
下面介绍几种在 Java 性能测试中常见的线程安全的集合类。
2.7.1 List 列表
java.util.List 是 Java 基础中集合框架中的一个接口。它用于存储有序的、可重复的元素集合，支持对集合中的增、删、改、查操作。Java JDK 中提供了很多实现了 List 接口的功能类，其中最常见的是 java.util.ArrayList，相信你肯定不会陌生。下面要介绍的是它在线程安全平行时空的好兄弟 java.util.Vector。
Vector 的功能与 ArrayList 是一模一样的，唯一的区别就是 Vector 是线程安全的。Vector 的线程安全表现在多个线程可以同时修改 Vector 内容时，Vector 存储内容不会错乱，出现非期望的异常。下面介绍 Vector 的基础功能。
1. 增（add）
向列表中添加元素的方法：
public synchronized boolean add(E e) {
modCount++;
ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
elementData[elementCount++] = e;
return true;
}
向列表中添加批量元素的方法：
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
boolean modified = false;
for (E e : c)
if (add(e))
modified = true;
return modified;
}
2. 删（remove）
从列表中删除某一个元素：
public boolean remove(Object o) {
return removeElement(o);
}
其中 removeElement() 方法内容如下：
public synchronized boolean removeElement(Object obj) {
modCount++;
int i = indexOf(obj);
if (i >= 0) {
removeElementAt(i);
return true;
}
return false;
}
下面是从列表中删除某个索引对应的元素：
public synchronized E remove(int index) {
modCount++;
if (index >= elementCount)
throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
E oldValue = elementData(index);
int numMoved = elementCount - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
elementData[--elementCount] = null; // Let gc do its work
return oldValue;
}
批量删除这里就不分享了。
3. 改（set）
修改某个索引对应的元素方法：
public synchronized E set(int index, E element) {
if (index >= elementCount)
throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
E oldValue = elementData(index);
elementData[index] = element;
return oldValue;
}
4. 查（get）
从列表中查询元素的方法：
public synchronized E get(int index) {
if (index >= elementCount)
throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
return elementData(index);
}
通过对 Vector 增、删、改、查源码的阅读和学习，我们会有 2 个发现：
-
Vector和ArrayList方法名称和参数一模一样，原因是它们都实现了java.util.List接口。 -
Vector类采用synchronized关键字修饰操作方法实现线程安全。
掌握这两点，我们就已经掌握了 Vector 基本功能，实际使用语法与 ArrayList 更是完全通用的。
2.7.2 Map 映射
java.util.Map 是 Java 基础中集合框架中的一个接口。它用于存储键值对（key-value）数据，每一个键（key）都唯一地映射到一个值（value），提供对数据的增、删、改、查操作。Java SDK 中提供了多个实现了 java.util.Map 接口的功能类，其中最常用的是 java.util.HashMap。下面继续介绍它在线程安全平行时空的好兄弟。
ConcurrentHashMap 与 HashMap 功能和调用方法均是相同的，这一点与上一节 Vector 和 ArrayList 是一致的。ConcurrentHashMap 是线程安全的，表现在多线程修改元素时，不会产生脏数据或者异常数据。
由于 ConcurrentHashMap 实现线程安全的设计方案过于复杂，下面仅列举基本操作方法，不再展示方法体内容。
-
增：单个添加
java.util.concurrent.ConcurrentHashMap#put，批量添加java.util.concurrent.ConcurrentHashMap#putAll。 -
删：删除某个键（key）及对应值（value）
java.util.concurrent.ConcurrentHashMap#remove(java.lang.Object)，删除某个键值对（key-value）java.util.concurrent.ConcurrentHashMap#remove(java.lang.Object)。 -
改：修改某个键（key）对应值（value）
java.util.concurrent.ConcurrentHashMap#replace(K, V)。 -
查：查询某个键（key）的值（value）
java.util.concurrent.ConcurrentHashMap#get，查询集合中是否包含某个键（key）java.util.concurrent.ConcurrentHashMap#containsKey，查询集合中是否包含某个值（value）java.util.concurrent.ConcurrentHashMap#containsValue。
ConcurrentHashMap 类还拥有以下几个优点：
-
高性能低竞争：由于
ConcurrentHashMap使用的分段锁的设计，所以在多线程读操作上性能非常高，多个阶段锁降低了线程之间竞争。 -
支持多个原子操作：原子操作是保障线程安全的，
ConcurrentHashMap提供多个原子操作的方法，方便使用者编写线程安全的代码。 -
高并发读写：
ConcurrentHashMap在多线程环境下支持高并发的读写操作。不同于传统的HashTable或同步的HashMap，它提供了更好的并发性能，使得多个线程可以同时进行读写操作而不会造成性能上的严重影响。
2.7.3 队列
在 Java 中，队列是一种常见的数据结构，用于存储和管理元素。Java 提供了多种队列的实现，每种实现都有其特定的用途和特性。在性能测试当中，多多少少都会用到队列来实现预期的测试方案，下面分享几种常用的队列类。
1. LinkedBlockingQueue
java.util.Queue 是 Java 编程语言集合框架中的一个接口。它用于存储和管理数据，其基本操作有两种：进队列，出队列，常见的顺序是先进先出，即先进入队列的元素最先被取出。Java 提供了多个拓展了 java.util.Queue 接口的接口，以及其实现类。java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue 是我在使用 Java 进行性能测试中最常使用的线程安全队列。下面介绍 LinkedBlockingQueue 的基本操作。
添加元素的方法如下：
-
add(E e)：将元素添加到队列的尾部。如果队列已经满了，则抛出IllegalStateException异常。 -
offer(E e)：将元素添加到队列的尾部。如果成功则返回true，否则返回false。 -
offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)：具有超时设置的offer(E e)，在限定时间内，成功返回true，失败返回false。 -
put(E e)：将元素添加到队列的尾部。如果队列已满，则会阻塞当前线程，直至添加成功。
从队列中获取元素方法如下：
-
remove()：从队列头获取一个元素并移除队列，如果返回null，则抛出NoSuchElementException异常。 -
poll()：从队列头获取一个元素并将其移除队列。如果队列为空，则返回null。 -
poll(long timeout, TimeUnit unit)：具有超时设置的poll()方法，在设置时间内获取成功则返回元素，否则返回null。 -
take()：从队列头获取一个元素并移除队列。如果队列为空，则会阻塞当前线程，直至获取到一个元素。 -
peek()：从队列头部获取元素，但并不移除该元素。
在 LinkedBlockingQueue 实现线程安全的设计中，用到了大量的 ReentrantLock 对象，是不是有点闭环了。这种情况还是非常普遍的，很多精妙的设计都依靠简单、可靠的解决方案。
2. DelayQueue
DelayQueue 是 Java SDK 包 java.util.concurrent 包提供的一个阻塞优先级队列。DelayQueue 队列中的元素只有在到达指定的延迟时间之后才能被取出，因此经常用来当作延迟队列使用。DelayQueue 要求存放的元素对象必须实现 java.util.concurrent.Delayed 接口（该接口继承接口 java.lang.Comparable），在新元素被添加时，队列会根据元素的 compareTo() 方法返回值进行排序。DelayQueue 提供阻塞操作，方便从队列中获取可用元素。
DelayQueue 基本操作方法与 LinkedBlockingQueue 是一样的，这是由于两者均实现了接口 java.util.concurrent.BlockingQueue。由于 DelayQueue 对存储元素类型的要求，下面写一个简单的例子来演示 DelayQueue 如何使用，代码如下：
package org.funtester.performance.books.chapter02.section7;
import java.util.concurrent.DelayQueue;
import java.util.concurrent.Delayed;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
* 延迟队列示例
*/
public class DelayQueueDemo implements Delayed {
public static void main(String[] args) {
DelayQueue<DelayQueueDemo> delayQueue = new DelayQueue<>(); // 创建延迟队列
delayQueue.add(new DelayQueueDemo()); // 添加元素
delayQueue.add(new DelayQueueDemo()); // 添加元素
delayQueue.add(new DelayQueueDemo()); // 添加元素
System.out.println(System.currentTimeMillis() + " 添加完成"); // 打印添加完成信息
while (true) { // 循环获取元素
DelayQueueDemo demo = delayQueue.poll(); // 获取元素
if (demo != null) { // 如果元素不为空
System.out.println(System.currentTimeMillis() + " 取出成功"); // 打印取出成功信息
}
}
}
/**
* 构造方法, 初始化延迟时间, 设置为 3000 毫秒
*/
public DelayQueueDemo() {
this.timestamp = System.currentTimeMillis() + 3000;
}
/**
* 对象到期时间, 单位毫秒, 超过到期时间则能被取出
*/
long timestamp;
/**
* 获取延迟时间, 单位毫秒, 超过到期时间则能被取出
*
* @param unit
* @return
*/
@Override
public long getDelay(TimeUnit unit) {
return this.timestamp - System.currentTimeMillis();
}
/**
* 比较方法, 用于排序, 按照到期时间升序排列
*
* @param o
* @return
*/
@Override
public int compareTo(Delayed o) {
return (int) (this.timestamp - ((DelayQueueDemo) o).timestamp);
}
}
控制台输出如下：
1713013980178 添加完成
1713013983178 取出成功
1713013983178 取出成功
1713013983178 取出成功
可以看出，添加完成之后，约 3 秒才被取出，符合我们延迟 3 秒的设置。基于 DelayQueue 的特性，我们可以发散一下思路，它完全可以用来做性能测试中日志回放模型的队列。我们将日志的 URL 和时间戳进行绑定，将时间戳加上一个延迟，这样就可以通过从延迟队列取出到期日志 URL，重新发送请求。
这个日志回放框架，会在 HTTP 协议性能测试章节中进行实战，开发日志回放功能并进行模拟日志回放测试。
除此以外，在 Java 线程池等待队列一章也介绍了几个常用的线程安全队列，这里再提一下它们的名字：SynchronousQueue（长度为零阻塞队列）、LinkedBlockingDeque（双端阻塞队列）和 PriorityBlockingQueue（优先级阻塞队列）。它们往往都直接或者间接实现 java.util.concurrent.BlockingQueue 接口，操作的 API 大同小异，掌握一种就能很快举一反三，学会其他队列使用。
书的名字：从 Java 开始做性能测试 。
如果本书内容对你有所帮助，希望各位不吝赞赏，让我可以贴补家用。赞赏两位数可以提前阅读未公开章节。我也会尝试制作本书的视频教程，包括必要的答疑。
FunTester 原创精华