Java并发：线程安全的容器-同步和并发

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1. 引言

多线程环境正确发布共享数据的方法之一就是线程安全容器。

线程安全的容器是由锁保护的域，将数据放入线程安全的容器中，可以保障其被安全地发布给所有从这个容器访问它的线程。

2. 同步容器类

JDK1.0开始有两个很老的同步容器类：Vector和HashTable。

JDK1.2之后Collections工具类中添加了一些工厂方法返回类似的同步封装器类：

public static <T> Collection<T>synchronizedCollection(Collection<T> c)

static<T> List<T> synchronizedList(List<T> list) //包装ArrayList、LinkedList

static<T> Set<T> synchronizedSet(Set<T> s)  //包装HashSet

static<K,V> Map<K,V> synchronizedMap(Map<K,V> m) //包装HashMap

static <T> SortedSet<T> synchronizedSortedSet(SortedSet<T>s) //包装TreeSet

static <K,V> SortedMap<K,V>synchronizedSortedMap(SortedMap<K,V> m) //包装TreeMap

 

实现方式：

将它们的状态封装起来，并对每一个公有方法进行同步。

其中Vector就是Object[]+synchronized方法，Hashtable是HashtableEntry[]+synchronized方法。而synchronizedXXX()方法返回的同步封装器类更是简单地将传进来的Collection的所有方法封装为synchronized方法而已。

 

缺点：

1、  通过同步方法将访问操作串行化，导致并发环境下效率低下

2、  复合操作（迭代、条件运算如没有则添加等）非线程安全，需要客户端代码来实现加锁。

3. 并发容器类

并发容器出现的最大的需求就是提升同步容器类的性能！

可以对比（非并发容器类）看看。

1、HashMap和HashSet的并发版本

1.1 ConcurrentHashMap<K, V>（HashMap的并发版本）

版本：JDK5

目标：代替Hashtable、synchronizedMap，支持复合操作

原理：采用一种更加细粒度的加锁机制“分段锁”，任意数量读取线程可以并发读取，任意数量的读取线程和一个写线程可以并发访问，一定数量的写入线程可以并发访问。并发环境下ConcurrentHashMap带来了更高的吞吐量，而在单线程环境下只损失了很小的性能。

 

1.2 CopyOnWriteArraySet<E>（HashSet的并发版本）

版本：JDK5

目标：代替synchronizedSet

原理：CopyOnWriteArraySet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。

2、TreeMap和TreeSet的并发版本

2.1 ConcurrentSkipListMap<K, V>（TreeMap的并发版本）

版本：JDK6

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。

 

2.2 ConcurrentSkipListSet<E>（TreeSet的并发版本）

版本：JDK6

目标：代替synchronizedSortedSet

原理：内部基于ConcurrentSkipListMap实现！

 

3、ArrayList和LinkedList的并发版本

3.1 CopyOnWriteArrayList<E>（ArrayList的并发版本）

目标：代替Vector、synchronizedList

原理：CopyOnWriteArrayList的核心思想是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。

 

3.2 Queue

版本：JDK5

特点：不会阻塞的队列       

实现类

ConcurrentLinkedQueue：基于链表实现的FIFO队列（LinkedList的并发版本）

PriorityQueue：非并发优先级队列

        

3.3 BlockingQueue

版本：JDK5

特点：拓展了Queue，增加了可阻塞的插入和获取等操作

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

原理：通过ReentrantLock实现线程安全，通过Condition实现阻塞和唤醒。