同步容器与并发容器

一、同步容器

1. 实现原理

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。

2. 分类

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 工具类中部分方法生成，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。

3. 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 和 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、equals、containsAll、removeAll、retainAll 等方法都会隐式的 Iterator ，也可能抛出 ConcurrentModificationException。

二、并发容器

1. 实现原理

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 JDK 1.5 中引入了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。

2. 分类

ConcurrentHashMap

• 对应的非并发容器：HashMap
• 目标：代替Hashtable、synchronizedMap，支持复合操作
• 原理：JDK 1.6 中采用一种更加细粒度的加锁机制 Segment 分段锁，JDK 1.8 中采用 CAS 无锁算法。

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，读操作不加锁；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。

CopyOnWriteArraySet

• 对应的非并发容器：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。

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 Skip List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

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

LinkedBlockingQueue、ArrayBlockingQueue、PriorityBlockingQueue

• 对应的并发容器：Queue
• 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
• 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