线程安全的集合类:CopyOnWrite/BlockingQueueArrayList/Hashtable/ConcurrentHashMap

线程安全的集合类

原来的集合类, 大部分都不是线程安全的.

Vector, Stack, Hashtable, 是线程安全的( Vector 和 Hashtable 不建议用), 其他的集合类不是线程安全的.

1 多线程环境使用ArrayList

1. 自己使用同步机制 (synchronized 或者 ReentrantLock)

2. Collections.synchronizedList(new ArrayList)

   synchronizedList就相当于在ArrayList方法的关键操作上增加了synchronized, 让其和 Vector 的效果差不多. 所以也是不建议使用

3. 使用 CopyOnWriteArrayList

   CopyOnWrite容器即写时复制的容器。

   当我们往一个容器添加元素的时候，不直接往当前容器添加，而是先将当前容器进行Copy，复制出一个新的容器，然后新的容器里添加元素，添加完元素之后，再将原容器的引用指向新的容器. 如果在这个过程中其他线程想要读取该容器中的元素, 那还是在原容器中读.

   这个过程, 没有引入任何的加锁操作, 而是使用了: 创建副本->修改副本->替换副本

   这样做的好处是我们可以对CopyOnWrite容器进行并发的读，而不需要加锁，因为当前容器不会添加任何元素。

   所以CopyOnWrite容器也是一种读写分离的思想，读和写不同的容器。

   优点: 在读多写少的场景下, 性能很高, 不需要加锁竞争.

   缺点: 1. 占用内存较多; 2. 新写的数据不能被第一时间读到.

2 多线程环境使用队列

1. ArrayBlockingQueue

   基于数组实现的阻塞队列

2. LinkedBlockingQueue

   基于链表实现的阻塞队列

3. PriorityBlockingQueue

   基于堆实现的带优先级的阻塞队列

4. TransferQueue

   最多只包含一个元素的阻塞队列

阻塞队列在我的另一篇文章有讲过, 点击这里

3 多线程环境使用哈希表

HashMap本身是线程不安全的

3.1 Hashtable

而Hashtable只是简单的把关键方法加上了 synchronized 关键字.

虽然在方法上加了锁, 但并不代表没有线程安全问题.

例如: 假设num = 9

Hashtable<String, Integer> hashtable = new Hashtable<>();
//...
int num = hashtable.get("key");
if(num < 10) {
    hashtable.put("key", num + 1);
}

如果此时有两个程同时执行以上代码,

这样就会引发线程安全问题.

由于只是在方法上加了synchronized, 这相当于直接针对 Hashtable 对象本身加锁

• 如果多线程访问同一个 Hashtable 就会直接造成锁冲突.

  如果多个线程的操作是针对各自不同的元素, 那么就不会存在线程安全问题, 所以不需要加锁.

• size 属性也是通过 synchronized 来控制同步, 也是比较慢的.

• 一旦触发扩容, 就由该线程完成整个扩容过程. 这个过程会涉及到大量的元素拷贝, 效率会非常低.

3.2 ConcurrentHashMap

相比于 Hashtable 做出了一系列的改进和优化

• 减小了锁的粒度: 加锁的方式仍然是是用 synchronized, 但是不是锁整个对象, 而是 “锁桶” (用每个链表的头结点作为锁对象), 大大降低了锁冲突的概率.
• 充分利用 CAS 特性: 比如 size 属性通过 CAS 来更新. 避免出现重量级锁的情况.
• 读操作没有加锁(但是使用了 volatile 保证从内存读取结果), 只对写操作进行加锁(链表级).
• 渐进式扩容: 化整为零
  • 发现需要扩容的线程, 只需要创建一个新的数组, 同时只搬几个元素过去.
  • 扩容期间, 新老数组同时存在.
  • 后续每个来操作 ConcurrentHashMap 的线程, 都会参与搬家的过程. 每个操作负责搬运一小部分元素.
  • 新增元素, 只往新数组插入.
  • 删除元素, 把旧数组的元素删掉
  • 查找元素, 新旧数组一起找
  • 修改元素, 把修改后的元素插入新数组
  • 搬完最后一个元素再把老数组删掉.

4. Hashtable和HashMap、ConcurrentHashMap 之间的区别?

HashMap: 线程不安全. key 允许为 null

Hashtable: 线程安全. 使用 synchronized 锁 Hashtable 对象, 效率较低. key 不允许为 null.

ConcurrentHashMap: 线程安全. 使用 synchronized 锁每个链表头结点, 锁冲突概率低, 充分利用CAS 机制. 优化了扩容方式. key 不允许为 null