Java并发编程(4)-同步容器和并发容器

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Java平台的类库包含了一个并发构造块的丰富集合,本篇将介绍在并发编程中十分常用的两种容器类，一是同步容器，二是并发容器，它们在某些特定的场合中可以用来替代我们常用的集合类，比如在高并发和多线程请求的情况下。
本篇总结自《Java并发编程实践》第五章 构造块 章节的内容，详情可以阅读该书。

一、同步容器

1.1、同步容器类介绍

同步容器类包括两部分，一个是Vector和Hashtable，它们是早期JDK的一部分；另一个是它们的同系容器，在JDK1.2之后才被 引入的同步包装类这些类是由Collections.synchronizedXxx工厂方法创建的。这些类通过封装它们的状态，并对每个公共方法进行了同步而实现了线程安全，这样一次只有一个线程能访问容器的状态。

1.2、常用的同步容器类

常用的同步容器类有Collections.synchronizedMap、Collections.synchronizedList、Collections.synchronizedSet、Collections.synchronizedSortSet、Collections.synchronizedSortMap，它们分别是Map、List、Set、SortSet、SortMap的同步容器类。

1.3、使用同步容器类的方式

使用同步容器类的方式很简单，如下代码就是使用了一个Map的同步类，对HashMap进行了包装。

//创建一个同步Map容器类,包装HashMap，使其线程安全
Map<String, String> synchronizedMap = Collections.synchronizedMap(new HashMap<String, String>());

接下来的操作和平时使用HashMap没有什么区别，常用的方法都没有改变：

		//存储key-value
         synchronizedMap.put("hello","world");
         
        //通过key读取value
        String hello = synchronizedMap.get("hello");
        System.out.println(hello);
        
        //判断key存在不存在，不存在则put
        synchronizedMap.putIfAbsent("arong","java");

1.4、同步容器类的实现机制

同步容器类的实现机制前面已经说过，其实就是依靠synchronized块对方法进行了同步，以阻止多个线程对一个方法进行并发的访问，从而使其达到线程安全的效果，以下是Collections.synchronizedMap的相关代码，我们可以看出，每个方法都被上锁了：

//static静态化使用户通过Collections类可直接获取到它
public static <K,V> Map<K,V> synchronizedMap(Map<K,V> m) {

		//这一步返回一个SynchronizedMap类，并将Map作为参数传入
        return new SynchronizedMap<>(m);
    }

	//真正的同步容器类
    private static class SynchronizedMap<K,V>
        ...
		//所有的方法中都使用了synchronized对有状态变量进行了同步
        public int size() {
            synchronized (mutex) {return m.size();}
        }
        public boolean isEmpty() {
            synchronized (mutex) {return m.isEmpty();}
        }
        public boolean containsKey(Object key) {
            synchronized (mutex) {return m.containsKey(key);}
        }
        public boolean containsValue(Object value) {
            synchronized (mutex) {return m.containsValue(value);}
        }
        public V get(Object key) {
            synchronized (mutex) {return m.get(key);}
        }

        public V put(K key, V value) {
            synchronized (mutex) {return m.put(key, value);}
        }
        public V remove(Object key) {
            synchronized (mutex) {return m.remove(key);}
        }
        public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> map) {
            synchronized (mutex) {m.putAll(map);}
        }
        public void clear() {
            synchronized (mutex) {m.clear();}
        }

      ...

1.5、使用同步容器类的弊端

同步容器类虽然能保证在多线程请求的情况下容器数据的安全，但是弊端也是比较明显的：所有的方法都是同步的，每次只能有一个线程获得锁，其他线程全部阻塞，这样会导致性能问题，所以说，在对性能的要求不高，但是要求安全性良好的情况下，可以使用同步容器类，但是如果希望容器在并发请求时能同时接受多个线程的处理，并且也能保证线程安全的话，推荐使用下文介绍的并发容器类。

二、并发容器

2.1、什么是并发容器类

Java5.0通过提供几个并发的容器类来改进同步容器。同步容器通过对容器的所有状态进行串行访问。从而实现了它们的线程安全。这样做的代价是削减了并发性，当多个线程共同竞争容器级的锁时，吞吐量就会降低。另一方面，并发容器是为了多线程并发访问而设计的。Java5.0添加了ConcurentHashMap来替代同步的HashMap实现；当多数操作为读取操作时，CopyOnWriteArrayList是List相应的同步实现。新的ConcurrentMap接口还加入了常见复合操作，比如“缺少即加入（put-if-absent）”、替换和条件删除等。并发容器类位于java.util.concurrent，即并发包下。

2.2、CAS算法

CAS是一种无锁的非阻塞算法，全称为：Compare-and-swap（比较并交换），大致思路是：先比较目标对象现值是否和旧值一致，如果一致，则更新对象为新值；如果不一致，则表明对象已经被其他线程修改，直接返回。

2.3、ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap实现了HashTable的所有功能，线程安全，但却在检索元素时不需要锁定，因此效率更高。ConcurrentHashMap的key 和 value都不允许null出现。原因在于ConcurrentHashMap不能区分出value是null还是没有map上，相对的HashMap却可以允许null值，在于其使用在单线程环境下，可以使用containKey（key）方法提前判定是否能map上，从而区分这两种情况，但是ConcurrentHashMap在多线程使用上下文中则不能这么判定。在并发编程中，常用来替换Collections.synchronizeHashMap。

2.4、CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList提供高效地读取操作，使用在读多写少的场景。CopyOnWriteArrayList读取操作不用加锁，且是安全的；写操作时，先copy一份原有数据数组，再对复制数据进行写入操作，最后将复制数据替换原有数据，从而保证写操作不影响读操作。在并发编程中，常常用来替换Collections.synchronizedList。