【多线程进阶】线程安全的集合类

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前言

本文主要讲解 Java 线程安全的集合类, 在之前学习过的集合类中, 只有 Vector, Stack, HashTable, 是线程安全的, 因为在他们的关键方法中, 都使用了 synchronized 去实现, 而其他的集合类都不是线程安全的. 但在多线程开发下, 保证线程安全又必不可找, 因此我们无法避免使用线程安全的集合类.

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1. 多线程环境使用 ArrayList

多线程环境下使用 ArrayList 主要有以下三个方法:

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

俩个锁均在前面多线程章节, 做过很多相关的讨论了. 此处不再展开.

2. Collections.synchronizedList(new ArrayList);

ArrayList 本身是没有使用 synchronized, 但是 synchronizedList 是标准库提供的一个基于 synchronized 进行线程同步的 List. synchronizedList 的关键操作上都带有 synchronized. 如果你不想自己进行加锁, 就可以使用它.

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.

这样做的好处是我们可以对 CopyOnWrite 容器进行并发的读, 没有引入任何的加锁操作, 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:

• 占用内存较多.
• 新写的数据不能被第一时间读取到.

2. 多线程环境使用队列

在多线程开发时需要用到队列时, 我们可以根据不同场景, 来使用以下四个队列.

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

3. 多线程环境使用哈希表

HashMap 本身不是线程安全的. 在多线程环境下使用哈希表可以使用:

• HashTable
• ConcurrentHashMap

3.1 HashTable

只是简单的把关键方法加上了 synchronized 关键字.

public synchronized V put(K key, V value) {}
public synchronized V get(Object key) {}

这样相当于直接针对 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.
• 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. 以 Java1.8 为例.

• 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. 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.
• 优化了扩容方式: 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.
  • 搬完最后一个元素再把老数组删掉.
  • 这个期间, 插入只往新数组加.
  • 这个期间, 查找需要同时查新数组和老数组
    

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总结

✨ 本文重点讲了 Java 中一些线程安全的集合类, 在并发编程中时很有用的, 请大家熟悉.
✨ 想了解更多的多线程知识, 可以收藏一下本人的多线程学习专栏, 里面会持续更新本人的学习记录, 跟随我一起不断学习.
✨ 感谢你们的耐心阅读, 博主本人也是一名学生, 也还有需要很多学习的东西. 写这篇文章是以本人所学内容为基础, 日后也会不断更新自己的学习记录, 我们一起努力进步, 变得优秀, 小小菜鸟, 也能有大大梦想, 关注我, 一起学习.

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