集合与多线程

许多应用程序依赖并发和异步机制。然而，编写这样的代码很容易出错。这就是我们需要并发集合（Concurrent Collections） 的原因。

经典集合与多线程

如你所知，多个线程可能会同时访问相同的数据，如果不使用某种同步机制，通常会导致各种问题。

当多个线程访问一个集合时，也会出现类似问题：

• 大多数经典集合，如 Array、List、Map 和 Set，都是非同步的，因此不具备线程安全性。

• 有一些集合类型，如 Hashtable、Vector 或 Stack（将在后续主题中讨论），是完全同步的，因此是线程安全的，但它们的性能很低。

• 当一个线程正在遍历一个完全同步的标准集合，而另一个线程试图向其添加新元素时，可能会抛出一个运行时异常 ConcurrentModificationException。

下面的程序展示了一个竞态条件（race condition） 的例子，当两个线程向同一个集合中添加元素时就会发生这种情况：

import kotlin.concurrent.thread

fun addNumbers(target: MutableList<Int>) {
    for (i in 0 until 100_000) target += i
}

fun main() {
    val numbers = mutableListOf<Int>()

    val writer = thread(start = false, name = "Thread 1", block = {
        addNumbers(numbers)
    })
    writer.start()

    addNumbers(numbers) // 主线程也添加数字

    writer.join() // 等待子线程完成

    println(numbers.size) // 结果可能会变化
}

解释代码

预期的结果是 200000（主线程和子线程各添加 100000 个元素），但实际运行时，每次结果可能都不同，部分元素会丢失。

我们运行程序三次，得到以下结果：

162527
140487
143736

在多线程环境下，不要在未加同步的情况下使用标准集合。不过，需要注意的是，显式同步也可能导致性能下降，以及在大型程序中出现难以发现的错误。

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并发集合（Concurrent Collections）

为了避免上述手动同步带来的问题，Java 类库提供了一些专门为多线程设计的集合实现，这些集合是线程安全的。你可以在 java.util.concurrent 包中找到它们，其中包括：

• ConcurrentMap

• ConcurrentLinkedQueue

• CopyOnWriteArrayList

这些并发集合大大简化了现代 Java（或 Kotlin）应用的开发。

与使用 @Synchronized 注解不同，并发集合使用更复杂的同步原语（如锁分段、原子变量等）和无锁算法（lock-free algorithm） 来保证线程安全，并同时保持较高的性能。

注意：如果你的程序并不需要多线程处理，那么还是建议使用经典集合，它们在单线程环境中性能更优。

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总结

在 Kotlin 中，如果你需要开发多线程程序，可以使用并发集合。它们已经实现了同步机制，能够解决多线程操作中的同步问题。像 ConcurrentMap、ConcurrentLinkedQueue 和 CopyOnWriteArrayList 等集合是实现并发程序的良好选择。