面试题：Java多线程并发容器的自定义扩展与优化

设计思路

批量操作设计：
- 对于批量操作，在自定义容器类中添加批量操作方法，如批量添加、批量移除等。利用原ConcurrentLinkedQueue的基本操作方法，通过循环或其他数据结构优化方式实现批量功能。例如，批量添加时可以先将元素收集到一个临时集合，再一次性添加到ConcurrentLinkedQueue中。
- 对于批量移除，可以通过遍历队列，使用remove方法移除满足条件的元素。为了提高效率，可考虑使用更高效的数据结构辅助查找要移除的元素，如HashSet来存储要移除元素的标识，减少遍历次数。
细粒度锁控制设计：
- 引入更细粒度的锁机制，原ConcurrentLinkedQueue采用无锁数据结构。为实现细粒度锁，可将队列按一定规则分区，每个分区使用一个锁。例如，根据元素的哈希值对分区数取模，将元素分配到不同分区，每个分区有独立的锁。这样在不同分区进行操作时可以并行执行，提高并发性能。

实现步骤

继承或组合ConcurrentLinkedQueue：
- 可以选择继承ConcurrentLinkedQueue类，这样能直接复用其大部分方法。或者采用组合方式，在自定义类中包含一个ConcurrentLinkedQueue实例，通过委托的方式调用其方法。
- 例如，采用继承方式：
```
public class CustomConcurrentQueue<E> extends ConcurrentLinkedQueue<E> {
    // 后续添加自定义方法和成员变量
}
```

实现批量操作方法：

批量添加方法：

public void batchAdd(Collection<E> elements) {
    for (E element : elements) {
        add(element);
    }
}

批量移除方法：

public void batchRemove(Collection<E> elementsToRemove) {
    HashSet<E> setToRemove = new HashSet<>(elementsToRemove);
    Iterator<E> iterator = iterator();
    while (iterator.hasNext()) {
        E element = iterator.next();
        if (setToRemove.contains(element)) {
            iterator.remove();
        }
    }
}

实现细粒度锁控制：

定义锁分区：

private static final int PARTITION_COUNT = 16;
private final ReentrantLock[] locks = new ReentrantLock[PARTITION_COUNT];
{
    for (int i = 0; i < PARTITION_COUNT; i++) {
        locks[i] = new ReentrantLock();
    }
}

获取锁的方法：

private ReentrantLock getLock(E element) {
    int partition = Math.abs(element.hashCode()) % PARTITION_COUNT;
    return locks[partition];
}

修改操作方法以使用细粒度锁：例如修改添加方法

@Override
public boolean add(E element) {
    ReentrantLock lock = getLock(element);
    lock.lock();
    try {
        return super.add(element);
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

可能遇到的挑战及解决方案

锁竞争与死锁：
- 挑战：虽然采用细粒度锁，但如果锁的获取顺序不当，可能导致死锁。例如，线程A获取了分区1的锁，线程B获取了分区2的锁，然后线程A尝试获取分区2的锁，线程B尝试获取分区1的锁，就会造成死锁。
- 解决方案：定义明确的锁获取顺序，例如总是按照分区编号从小到大获取锁。在获取多个锁时，先获取编号小的锁，再获取编号大的锁。可以通过在获取锁之前对锁进行排序来实现。
批量操作的原子性：
- 挑战：现有的批量操作实现可能不是原子性的。例如在批量添加时，可能部分元素添加成功，部分失败，在高并发环境下可能导致数据不一致。
- 解决方案：可以使用事务机制，例如引入一个AtomicBoolean变量来标记操作是否成功。在批量操作开始时，将其设置为true，如果任何一个子操作失败，将其设置为false，并回滚已成功的操作。对于回滚，可以在添加操作时，将已添加的元素记录到一个临时集合，在操作失败时，从队列中移除这些元素。
性能优化：
- 挑战：在实现批量操作和细粒度锁控制后，可能引入额外的开销，如锁的获取和释放开销，批量操作中的数据结构转换开销等，导致性能未达预期。
- 解决方案：对代码进行性能分析，使用工具如Java VisualVM。对于锁的开销，可以尝试使用更轻量级的锁，如StampedLock（在适合的场景下，如读多写少场景）。对于数据结构转换开销，可以优化数据结构，例如在批量移除时，提前对要移除的元素进行排序，减少遍历队列的次数。

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