Java中提供了非常多的并发容器和框架，在此仅对部分并发容器进行介绍。

1.ConcurrentHashMap的实现原理与使用

1.1 为何使用ConcurrentHashMap

在并发编程中使用HashMap可能导致程序死循环。而使用线程安全的HashTable效率又非 常低下，基于以上两个原因，便有了ConcurrentHashMap。

1. 线程不安全的HashMap：在多线程环境下，使用HashMap进行put操作会引起get操作死循环，导致CPU利用率接近100%，所以在并发情况下不能使用HashMap。HashMap在并发执行put操作时会引起死循环，是因为多线程会导致HashMap的Entry链表形成环形数据结构，一旦形成环形数据结构，Entry的next节点永远不为空，就会产生死循环获取Entry。
2. 效率低下的HashTable：HashTable容器使用synchronized来保证线程安全，但在线程竞争激烈的情况下HashTable 的效率非常低下。因为当一个线程访问HashTable的同步方法，其他线程也访问HashTable的同 步方法时，会进入阻塞或轮询状态。如线程1使用put进行元素添加，线程2不但不能使用put方 法添加元素，也不能使用get方法来获取元素，所以竞争越激烈效率越低。
3. ConcurrentHashMap的锁分段技术：HashTable容器在竞争激烈的并发环境下表现出效率低下的原因是所有访问HashTable的线程都必须竞争同一把锁，假如容器里有多把锁，每一把锁用于锁容器其中一部分数据，那么 当多线程访问容器里不同数据段的数据时，线程间就不会存在锁竞争，从而可以有效提高并发访问效率，这就是ConcurrentHashMap所使用的锁分段技术。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。

1.2 ConcurrentHashMap结构

ConcurrentHashMap是由Segment数组结构和HashEntry数组结构组成。Segment是一种可重入锁（ReentrantLock），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 数组和链表结构。一个Segment里包含（用“锁住”或许更合适）一个HashEntry数组，每个HashEntry数组中的元素是一个链表结构的元素，每个Segment守护着一个HashEntry数组里的元素，当对HashEntry数组的数据进行修改时，必须首先获得与它对应的Segment锁。也就是说一个ConcurrentHashMap里有着多个Segment数组，而Segment数组中的每个元素锁住是HashEntry数组，每个HashEntry数组中的每个数组元素存放的就是一个链表。

1.3 ConcurrentHashMap的存取过程简单解析

1. put(K key, V value)：在存储键值对数据时，会对键值进行第一次哈希运算，定位到Segment数组中的位置，确认后位置后对该位置下的所有元素进行加锁。加锁后再进行插入操作，对该对键值进行第二次哈希运算，用于确认存储在HashEntry数组中的下标位置，并进行判断是否需要对HashEntry数组进行扩容并且重计算HashEntry数组中所有元素的存储。确定在HashEntry数组中的位置后，就将该键值对添加到链表后。Segment的扩容判断比HashMap更恰当，因为HashMap是在插入元素后判断元素是否已经到达容量的，如果到达了就进行扩容，但是很有可能扩容之后没有新元素插入，这时HashMap就进行了一次无效的扩容。
2. get(Object key)：先经过一次再哈希，然后使用这个哈希值通过哈希运算定位到Segment数组中的元素，再通过哈希算法定位到HashEntry数组中的元素即可。get的高效之处在于它不需要加锁，除非读到的值是空才会加锁重读。而道HashTable容器的get方法是加锁的，所以才导致其效率极低。而ConcurrentHashMap是如何实现不加锁的？观察其源码可以发现，get方法里所有使用的共享变量全部设置为volatile类型，如用于统计当前 Segement大小的count字段和用于存储值的HashEntry的value，所有的键值对元素等。定义成volatile的变量，能够在线 程之间保持可见性，能够被多线程同时读，并且保证不会读到过期的值，但是只能被单线程写 （有一种情况可以被多线程写，就是写入的值不依赖于原值），在get操作里只需要读不需要写 共享变量count和value，所以可以不用加锁。之所以不会读到过期的值，是因为根据Java内存模 型的happen before原则，对volatile字段的写入操作先于读操作，即使两个线程同时修改和获取 volatile变量，get操作也能拿到最新的值，这是用volatile替换锁的经典应用场景。
3. size()：如果要统计整个ConcurrentHashMap里元素的大小，就必须统计所有Segment里元素的大小 后求和。Segment里的全局变量count是一个volatile变量，那么在多线程场景下，是不是直接把 所有Segment的count相加就可以得到整个ConcurrentHashMap大小了呢？实际上并不是，虽然可以获取每个Segment的count的最新值，但是如果在将这些值相加时（原子性操作以及其可见性），count的值改变了那么就会得到不准确的值。而把所有Segment的put、remove和clean方法 全部锁住又会非常低效。所以使用modCount 变量，在put、remove和clean方法里操作元素前都会将变量modCount进行加1，那么在统计size 前后比较modCount是否发生变化，从而得知容器的大小是否发生变化。

2. ConcurrentLinkedQueue的实现原理与使用

ConcurrentLinkedQueue是一个基于链接节点的无界线程安全队列，它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，它会添加到队列的尾部，当我们获取一个元素时，它会返回队列头部的元素。基于CAS的“wait－free”（常规无等待）来实现，CAS并不是一个算法，它是一个CPU直接支持的硬件指令，这也就在一定程度上决定了它的平台相关性。

当前常用的多线程同步机制可以分为下面三种类型：（在后面深入底层机制学习时在进行详解）

1. volatile 变量：轻量级多线程同步机制，不会引起上下文切换和线程调度。仅提供内存可见性保证，不提供原子性。
2. CAS 原子指令：轻量级多线程同步机制，不会引起上下文切换和线程调度。它同时提供内存可见性和原子化更新保证。
3. 互斥锁：重量级多线程同步机制，可能会引起上下文切换和线程调度，它同时提供内存可见性和原子性。

ConcurrentLinkedQueue 的非阻塞算法实现主要可概括为下面几点：

1. 使用 CAS 原子指令来处理对数据的并发访问，这是非阻塞算法得以实现的基础。
2. head/tail 并非总是指向队列的头 / 尾节点，也就是说允许队列处于不一致状态。 这个特性把入队 /出队时，原本需要一起原子化执行的两个步骤分离开来，从而缩小了入队 /出队时需要原子化更新值的范围到唯一变量。这是非阻塞算法得以实现的关键。
3. 以批处理方式来更新head/tail，从整体上减少入队 / 出队操作的开销。

2.1 数据结构

其数据结构与普通的队列没有差别，当单线程进行插入或删除时与普通队列相同，但是如果对于普通队列进行多线程的删除插入操作时，就会出现插队现象，而ConcurrentLinkedQueue则避免了这种现象的发生。

2.2 入队列实现

整个入队过程主要做两件事情：第一是定位出尾节点；第二是使用 CAS将入队节点设置成尾节点的next节点，如不成功则重试。

 //实现源码
public boolean offer(E e) {checkNotNull(e);final Node<E> newNode = new Node<E>(e);for (Node<E> t = tail, p = t;;) {Node<E> q = p.next;if (q == null) {// p is last nodeif (p.casNext(null, newNode)) {// Successful CAS is the linearization point// for e to become an element of this queue,// and for newNode to become "live".if (p != t) // hop two nodes at a timecasTail(t, newNode);  // Failure is OK.return true;}// Lost CAS race to another thread; re-read next}else if (p == q)// We have fallen off list.  If tail is unchanged, it// will also be off-list, in which case we need to// jump to head, from which all live nodes are always// reachable.  Else the new tail is a better bet.p = (t != (t = tail)) ? t : head;else// Check for tail updates after two hops.p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q;}}

1. 定位尾节点：查看源码可以发现队列中拥head表示头结点，tail表示尾节点，但是在多线程入队列时tail节点并不一定是尾节点，尾节点可能会是tail的next节点。代码中循环体中的第一个if就是判断tail是否有next节点，有则表示next节点可能是尾节点。获取tail节点的next节点需要注意的是p节点等于p的next节点的情况，只有一种可能就是p节点和p的next节点都等于空，表示这个队列刚初始化，正准备添加节点，所以需要返回head节点。
2. 设置入队节点为尾节点：p.casNext（null，n）方法用于将入队节点设置为当前队列尾节点next节点，如果p是null， 表示p是当前队列的尾节点，如果不为null，表示有其他线程更新了尾节点，则需要重新获取当 前队列的尾节点。

2.3 出队列实现

1. 首先获取头节点的元素，然后判断头节点元素是否为空，如果为空，表示另外一个线程已经进行了一次出队操作将该节点的元素取走，如果不为空，则使用CAS的方式将头节点的引用设置成null，如果CAS成功，则直接返回头节点的元素，如果不成功，表示另外一个线程已经进行了一次出队操作更新了head节点，导致元素发生了变化，需要重新获取头节点。