【JDK】：Java容器框架——同步容器与并发容器

前面的文章中详细介绍了Java的容器框架，在此基础上，本文对Java中的同步容器与并发容器做一些介绍。

fail-fast机制

快速报错机制（fail-fast）能够防止多个进程同时修改同一个容器的内容。如果在你迭代遍历某个容器的过程中，另一个进程接入其中，并且插入、删除或者修改此容器内的某个对象，就会出现问题：也许迭代过程已经处理过容器中的该元素了，也许还没处理，也许在调用size()之后尺寸缩小了等等。fail-fast机制会探查容器上的任何除了你的进程所进行的操作以外的所有变化，一旦它发现其他进程修改了容器，立刻抛出ConcurrentModificationException异常，即快速报错——不适用复杂的算法在时候进行检查。

同步容器

同步容器可以简单地理解为通过synchronized来实现同步的容器，如果有多个线程调用同步容器的方法，它们将会串行执行。

同步容器将它们的状态封装起来，并对每一个公有方法进行同步。主要包括：

• Vector
• Stack
• HashTable
• Collections.synchronized方法生成，例如：
  
  • Collectinons.synchronizedList()
  • Collections.synchronizedSet()
  • Collections.synchronizedMap()
  • Collections.synchronizedSortedSet()
  • Collections.synchronizedSortedMap()

其中Vector（同步的ArrayList）和Stack（继承自Vector，先进后出）、HashTable（继承自Dictionary，实现了Map接口）是比较老的容器，Thinking in Java中明确指出，这些容器现在仍然存在于JDK中是为了向以前老版本的程序兼容，在新的程序中不应该在使用。Collections的方法时将非同步的容器包裹生成对应的同步容器。

同步容器在单线程的环境下能够保证线程安全，但是通过synchronized同步方法将访问操作串行化，导致并发环境下效率低下。而且同步容器在多线程环境下的复合操作（迭代、条件运算如没有则添加等）是非线程安全，需要客户端代码来实现加锁。

代码示例：

public static Object getLast(Vector list) {
    int lastIndex = list.size() - 1;
    return list.get(lastIndex);
}

public static void deleteLast(Vector list) {
    int lastIndex = list.size() - 1;
    list.remove(lastIndex);
}

上面的代码取最后一个元素或者删除最后一个元素，使用了同步容器Vector。如果有两个线程A,B同时调用上面的两个方法，假设list的大小为10，这里计算得到的lastIndex为9，线程B首先执行了删除操作（多线程之间操作执行的不确定性导致），而后线程A调用了list.get方法，这时就会发生数组越界异常，导致问题的原因就是上面的复合操作不是原子操作，这里可以通过在方法内部额外的使用list对象锁来实现原子操作。

在多线程中使用同步容器，如果使用Iterator迭代容器或使用使用for-each遍历容器，在迭代过程中修改容器会抛出ConcurrentModificationException异常。想要避免出现ConcurrentModificationException，就必须在迭代过程持有容器的锁。但是若容器较大，则迭代的时间也会较长。那么需要访问该容器的其他线程将会长时间等待。从而会极大降低性能。

此外，隐式迭代的情况，如toString，hashCode，equalse，containsAll，removeAll，retainAll等方法都会隐式的Iterate，也可能抛出ConcurrentModificationException。

并发容器

由上面的分析我们知道，同步容器并不能保证多线程安全，而并发容器是针对多个线程并发访问而设计的，在jdk5.0引入了concurrent包，其中提供了很多并发容器，极大的提升同步容器类的性能。

ConcurrentHashMap

• 对应的非并发容器：HashMap
• 目标：代替Hashtable、synchronizedMap，支持复合操作
• 原理：JDK6中采用一种更加细粒度的加锁机制Segment“分段锁”，JDK8中采用CAS无锁算法，详细分析推荐阅读【JDK】：ConcurrentHashMap高并发机制——【转载】。

CopyOnWriteArrayList

• 对应的非并发容器：ArrayList
• 目标：代替Vector、synchronizedList
• 原理：利用高并发往往是读多写少的特性，对读操作不加锁，对写操作，先复制一份新的集合，在新的集合上面修改，然后将新集合赋值给旧的引用，并通过volatile 保证其可见性，当然写操作的锁是必不可少的了。

关于这一部分可参考【JDK】：CopyOnWriteArrayList、CopyOnWriteArraySet 源码解析

CopyOnWriteArraySet

• 对应的费并发容器：HashSet
• 目标：代替synchronizedSet
• 原理：基于CopyOnWriteArrayList实现，其唯一的不同是在add时调用的是CopyOnWriteArrayList的addIfAbsent方法，其遍历当前Object数组，如Object数组中已有了当前元素，则直接返回，如果没有则放入Object数组的尾部，并返回。

关于这一部分可参考【JDK】：CopyOnWriteArrayList、CopyOnWriteArraySet 源码解析

ConcurrentSkipListMap

• 对应的非并发容器：TreeMap
• 目标：代替synchronizedSortedMap(TreeMap)
• 原理：Skip list（跳表）是一种可以代替平衡树的数据结构，默认是按照Key值升序的。Skip list让已排序的数据分布在多层链表中，以0-1随机数决定一个数据的向上攀升与否，通过”空间来换取时间”的一个算法。ConcurrentSkipListMap提供了一种线程安全的并发访问的排序映射表。内部是SkipList（跳表）结构实现，在理论上能够在O（log（n））时间内完成查找、插入、删除操作。

ConcurrentSkipListSet

• 对应的非并发容器：TreeSet
• 目标：代替synchronizedSortedSet
• 原理：内部基于ConcurrentSkipListMap实现

ConcurrentLinkedQueue

不会阻塞的队列

• 对应的非并发容器：Queue
• 原理：基于链表实现的FIFO队列（LinkedList的并发版本）

LinkedBlockingQueue、ArrayBlockingQueue、PriorityBlockingQueue

• 对应的非并发容器：BlockingQueue
• 特点：拓展了Queue，增加了可阻塞的插入和获取等操作
• 原理：通过ReentrantLock实现线程安全，通过Condition实现阻塞和唤醒
• 实现类：
  
  • LinkedBlockingQueue：基于链表实现的可阻塞的FIFO队列
  • ArrayBlockingQueue：基于数组实现的可阻塞的FIFO队列
  • PriorityBlockingQueue：按优先级排序的队列

参考：
1、Java并发：同步容器&并发容器
2、Java并发：线程安全的容器-同步和并发