Java-中的线程安全容器

jiezi

6 年前

常用的一些容器例如 ArrayList、HashMap、都不是线程安全的，最简单的将这些容器变为线程安全的方式，是给这些容器所有的方法都加上 synchronized 关键字。

Java 的 Collections 中实现了这些同步容器：

简单的使用如下：

List<String> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());

Map<Integer, String> map = Collections.synchronizedMap(new HashMap<>());

Set<String> set = Collections.synchronizedSet(new HashSet<>());

同步容器虽然简单，但是相应的效率较低，因为锁的粒度较大。

循环遍历同步容器

如果在遍历同步容器的时候，组合了多个方法，这会可能会存在竞态条件，仍然不是线程安全的。解决的办法便是对容器加锁。例如下面这样：

public static void main(String[] args) {List<String> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
    
    // 省略添加数据的操作
    
    String[] str = new String[list.size()];
    int k = 0;
    synchronized (list){Iterator<String> iterator = list.iterator();
        while (iterator.hasNext()){str[k ++] = iterator.next();}
    }
}

Java 中还提供了一系列并发容器，相比于同步容器，其性能更好。并发容器共分为了四类：List、Map、Set、Queue。

List 中一个最主要的实现类是 CopyOnWriteArrayList，CopyOnWrite，即写时复制，这样的好处是读操作是无锁的。

其实现原理是内部维护了一个数组，内部变量 array 指向了这个数组。需要写时，并不是在原数组上操作，而是将数组复制一份，在拷贝的数组中进行写。完成后，将 array 指向新的数组。这样一来，读写之间不互斥，效率得到了很大的提升。

需要注意的是 CopyOnWriteArrayList 适用于读多写少的场景，并且需要接受读写的暂时不一致，因为在写的时候，并行的读操作可能并不能马上看到写的结果。

Map 的两个主要实现类是 ConcurrentHashMap 和 ConcurrentSkipListMap，两者主要的区别是：前者是无序的，后者是有序的。

2.1 ConcurrentHashMap

在 Java 1.7 中，ConcurrentHashMap 的实现使用的是分段锁技术，其内部主要的数据结构是 Segment 和 HashEntry，ConcurrentHashMap 包含了一个 Segment 数组，每个 Segment 又包含一个 HashEntry 数组，每个 HashEntry 是一个存储数据的链表结构。

其中 Segment 继承了 ReentrantLock，每个 Segment 都有对应的锁，需要修改数据的时候，需要获取这把锁。修改不同的 Segment 数据，则完全可以并行，效率得到了提升。示意图如下：

Java 1.8 又对 ConcurrentHashMap 做了较大的改进，放弃了分段锁的技术。结构和 Java 1.8 中的 HashMap 类似，采用的是数组 + 链表 / 红黑树来实现。为了降低哈希冲突的成本，在链表长度超过 8 时，将链表转换为红黑树。使用 CAS 和 synchronized 解决并发问题，锁住链表或者红黑树的头节点，只要没有哈希冲突，则不会出现并发问题。示意图如下：

2.2 ConcurrentSkipListMap

ConcurrentSkipListMap 保证有序的主要原因是，底层使用的是跳表这种数据结构，关于跳表的介绍，你可以查看数据结构中的内容。

Set 的两个实现是 CopyOnWriteArraySet 和 ConcurrentSkipListSet。

和前面说到的 CopyOnWriteArrayList、ConcurrentSkipListMap 实现的原理类似。

队列可以从两方面进行分类：

单端和双端：单端队列指的是只能在队首出队，队尾出队，而双端队列指的是队首和队尾均可入队和出队。
阻塞和非阻塞：阻塞队列指的是，当队列满的时候，入队列阻塞；当队列空的时候，出队列阻塞。

Java 中，单端队列使用 queue 标识，双端队列使用 deque 标识。

4.1 单端阻塞队列

常用的实现类有：ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、PriorityQueue。

4.2 单端非阻塞队列

其实现类是 ConcurrentLinkedQueue

4.3 双端阻塞队列

其实现类是 LinkedBlockingDeque

4.4 双端非阻塞队列

其实现类是 ConcurrentLinkedDeque

使用其实都非常地简单，就是入队出队之类的操作，这里不再赘述了。

Java-中的线程安全容器

一、同步容器

二、并发容器

1. List

2. Map