[Java 并发编程实战] 集合框架之 同步容器类 & 并发容器类

Posted 2020-11-10

吾生也有涯，而知也无涯。———《庄子》

通过上一篇文章，我们已经知道设计一个线程安全类的原则和步骤，以及在设计过程中我们应当注意的细节。实际上，Java 的集合库包含了线程安全集合和非线程安全集合，可以说 Java 的线程安全集合库就是按照前一篇说到的实例封闭、安全性的委托、组合这几个方式来实现的。

这篇主要简单介绍 Java 集合库包含哪些常用的容器类，它们可以简单区分为:

• 非同步集合

• 同步集合

• 并发集合

那么，它们分别包括哪些具体的集合类，它们有什么主要的区别，以及它们的框架是怎样的？

这就是今天要讲的内容，读完这篇文章你应该要知道常用的集合库有哪些具体容器类，多线程的情况下应该用哪种集合以及它们的主要区别。

Java 集合框架

Java 集合工具包在 Java.util 包下，它包含了常用的数据结构，比如数组、链表、栈、队列、集合、哈希表等等。

这里先放一张 Java 集合类的框架图：

Java 集合框架

Collection 接口是集合类的根接口，Java 中没有提供这个接口的直接的实现类。但是让其被继承产生了两个接口，就是 Set 和 List。Set中不能包含重复的元素。List是一个有序的集合，可以包含重复的元素，提供了按索引访问的方式。

Map 是 Java.util 包中的另一个接口，它和 Collection 接口没有关系，是相互独立的，但是都属于集合类的一部分。Map 包含了 key-value 对。Map 不能包含重复的 key，但是可以包含相同的 value。

其中还有一个 Iterator 接口，Collection 继承了它，也就是说所有的集合类，都实现了Iterator接口，这是一个用于遍历集合中元素的接口，主要包含以下三种方法：

1. hasNext()是否还有下一个元素。

2. next()返回下一个元素。

3. remove()删除当前元素。

对于 Java 集合框架，这里不再做过多的说明，如果要完全剖析，那估计得再开一个专栏来讲。下面对具体容器类分类，我们直接来看他们分别属于哪些类型。

非同步集合

非同步集合，在并发访问的时候，是非线程安全的；但是由于它们没有同步策略(加锁机制)，它们的效率更高。常用的非同步集合它们包括下面几个：

• ArrayList

• HashSet

• HashMap

• LinkedList

• TreeSet

• TreeMap

• PriorityQueue

同步集合

对每个方法都进行同步加锁，保证线程安全。

• HashTable

• Vector

• Stack

• 同步包装器 : [ Collections.synchronizedMap(), Collections.synchronizedList() ]

Java 集合类中非线程安全的集合可以用同步包装器使集合变成线程安全，其实实现原理就是相当于对每个方法加多一层同步锁而已，比如：

1. HashMap --> Collections.synchronizedMap(new HashMap())

2. ArrayList --> Collections.synchronizedList(new ArrayList<>())

并发集合

java.util.concurrent包下，并发容器类如下：:

• ConcurrentHashMap

• ConcurrentSkipListMap

• ConcurrentSkipListSet

• CopyOnWriteArrayList

• CopyOnWriteArraySet

• ArrayBlockingQueue

• LinkedBlockingQueue

• PriorityBlockingQueue

• LinkedBlockingDeque

• ConcurrentLinkedQueue

同步集合类和并发集合类的区别

不管是同步集合还是并发集合他们都支持线程安全，他们之间主要的区别体现在性能和可扩展性，还有他们如何实现的线程安全。

同步集合类，Hashtable 和 Vector 还有同步集合包装类，Collections.synchronizedMap()和Collections.synchronizedList()，相比并发的实现（比如：ConcurrentHashMap, CopyOnWriteArrayList, CopyOnWriteHashSet）会慢得多。

造成如此慢的主要原因是锁， 同步集合会把整个Map或List锁起来，每个操作都是串行的操作，同一时刻只有一个线程能操作。而并发集合不会，并发集合实现线程安全是通过使用先进的和成熟的技术把锁剥离。

比如ConcurrentHashMap 会把整个Map 划分成几个片段，只对相关的几个片段上锁，同时允许多线程访问其他未上锁的片段。

CopyOnWriteArrayList 允许多个线程以非同步的方式读，当有线程写的时候它会将整个List复制一个副本给它。如果在读多写少这种对并发集合有利的条件下使用并发集合，这会比使用同步集合更具有可伸缩性。

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