熟悉JUC常用的并发安全容器类以及CAS机制

原创已于 2024-04-14 13:58:07 修改 · 1k 阅读

20 ·

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

#安全 #java

于 2024-04-14 13:56:08 首次发布

JUC 专栏收录该内容

1 篇文章

订阅专栏

本文介绍了Java并发编程中JavaUtilityConcurrency(JUC)库中的线程安全容器，如Vector、CopyOnWriteList、CopyOnWriteSet、ConcurrentSkipListSet和ConcurrentHashMap，并对比了CAS(Check-And-Set)机制与synchronized的关键区别，探讨了CAS的优点和缺点，以及ConcurrentHashMap与Hashtable的差异。

JUC（Java Utility Concurrency）中常用的并发安全容器类主要包括以下几种：

线程安全的List：
- Vector：一个古老的线程安全的列表实现。
- Collections.synchronizedList()：通过包装一个List对象来提供线程安全。
- CopyOnWriteArrayList：一个线程安全的变体，适用于读多写少的场景。
线程安全的Set：
- CopyOnWriteArraySet：基于CopyOnWriteArrayList的线程安全的Set实现。
- ConcurrentSkipListSet：一个可排序的线程安全的Set实现。
线程安全的Map：
- Collections.synchronizedMap()：通过包装一个Map对象来提供线程安全。
- ConcurrentHashMap：一个高效的线程安全的HashMap实现，适用于高并发场景。

关于CAS（Compare-And-Swap）机制，以下是一些可能的示例：

简述CAS机制的工作原理。
CAS机制与synchronized关键字有什么区别？
CAS机制有哪些优点和缺点？

答案：

CAS机制工作原理：
CAS是Compare-And-Swap的缩写，它是一种实现无锁（Non-blocking）算法的重要技术。CAS包含三个操作数——内存位置（V）、期望的原值（A）和新值（B）。当多个线程尝试使用CAS同时更新同一个变量时，只有其中一个线程会成功，其他线程会失败并重新尝试，直到成功为止。这个过程是原子性的，即不可中断的。
CAS机制与synchronized关键字的区别：
- CAS机制属于乐观锁，它假设冲突不太可能发生，因此可以让线程不断进行尝试。而synchronized属于悲观锁，它假设冲突总是有可能发生，因此会让没有得到锁资源的线程进入阻塞状态。
- CAS是一种无锁技术，它不会阻塞线程，而是通过自旋的方式不断尝试更新变量。而synchronized则依赖于JVM内置锁机制，可能会导致线程阻塞和上下文切换的开销。
- CAS适用于读多写少的场景，以及细粒度锁定的场景。而synchronized适用于需要保证整个代码块或多个变量原子性操作的场景。
CAS机制的优点和缺点：
- 优点：
  - 非阻塞算法，无需等待锁释放，因此响应速度快。
  - 支持高并发场景，多个线程可以同时对变量进行更新尝试。
- 缺点：
  - 自旋过程会消耗CPU资源，如果长时间自旋不成功，可能导致性能下降。
  - 只能保证单个变量的原子性操作，对于复杂的数据结构或操作可能不适用。
  - 存在ABA问题，即一个变量从A值变为B值，然后再变回A值，使用CAS进行检查时会认为它从来没有被改变过，这个问题需要通过额外的版本号机制来解决。
ConcurrentHashMap与Hashtable有什么区别？
请解释CopyOnWriteArrayList的工作原理及其适用场景。
什么是ABA问题，如何解决？
简述ConcurrentSkipListSet与TreeSet的区别。
ConcurrentHashMap与Hashtable的区别：
- ConcurrentHashMap是Java并发包(java.util.concurrent)中的类，而Hashtable是Java早期集合类的一部分。
- Hashtable是线程安全的，但它是通过synchronized方法来实现的，这意味着在某一时刻只有一个线程可以访问Hashtable，这在高并发场景下可能会导致性能瓶颈。相反，ConcurrentHashMap通过分段锁或其他并发技术允许多个线程同时读写，从而提供更好的并发性能。
- Hashtable不允许null键和值，而ConcurrentHashMap允许null值（但不建议使用null键）。
- ConcurrentHashMap提供了更高的扩展性和更好的性能，特别是在多线程环境下。
CopyOnWriteArrayList的工作原理及其适用场景：
- CopyOnWriteArrayList是一个线程安全的ArrayList，在修改操作（如add、set等）时，它会创建底层数组的一个新副本，修改这个新副本，然后将引用指向这个新数组，从而实现线程安全。
- 它的名字即字面意思：在修改时复制原数组的内容。这种方式适用于读多写少的场景，因为在每次写操作时都需要复制整个数组，这是一个重量级的操作。
- 适用场景主要是读操作远多于写操作的场景，例如缓存、数据共享等。
ABA问题及其解决方案：
- ABA问题是指在CAS操作中，由于某个线程将变量从A改为B，然后又改回A，CAS操作会认为该变量没有发生过变化，但实际上可能已经发生了中间状态的改变。
- 为了解决ABA问题，Java提供了AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference类，它们通过引入一个版本号或标记来确保CAS操作的正确性。当变量被修改时，版本号或标记也会同时更新，从而防止ABA问题的发生。
ConcurrentSkipListSet与TreeSet的区别：
- TreeSet是基于红黑树实现的，它不是线程安全的。在多线程环境下，需要额外的同步措施来确保线程安全。
- ConcurrentSkipListSet是基于跳表（Skip List）数据结构实现的，并且是线程安全的。它支持高并发的读写操作，而无需额外的同步措施。
- 两者都是有序的集合，但ConcurrentSkipListSet更适合用于并发场景，而TreeSet在单线程环境下性能可能更优。