Java同步容器总结

Posted 2021-01-27 htkj

 《0》StringBuffer适用于多线程场景，StringBuilder适用于字符串拼接【堆栈封闭】

　　`Vector`实现`List`接口，底层和`ArrayList`类似，但是`Vector`中的方法都是使用`synchronized`修饰，即进行了同步的措施。 但是，`Vector`并不是线程安全的。

　　`Stack`也是一个同步容器，也是使用`synchronized`进行同步，继承与`Vector`，是数据结构中的，先进后出。

　　`HashTable`和`HashMap`很相似，但`HashTable`进行了同步处理。

　　`Collections`工具类提供了大量的方法，比如对集合的排序、查找等常用的操作。同时也通过了相关了方法创建同步容器类

如果在使用foreach或iterator进集合的遍历，尽量不要在操作的过程中进行remove等相关的更新操作。如果非要进行操作，则可以在遍历的过程中记录需要操作元素的序号，待遍历结束后方可进行操作，让这两个动作分开进行

?   同步容器中的方法主要采取synchronized进行同步，因此执行的性能会收到受到影响，并且同步容器并不一定能做到真正的线程安全。

《1》CopyOnWriteArrayList

?   　　ArrayList -> CopyOnWriteArrayList 

　　CopyOnWriteArrayList相比于ArrayList是线程安全的，从字面意思理解，即为写操作时复制。CopyOnWriteArrayList使用了一种叫写时复制的方法，当有新元素添加到CopyOnWriteArrayList时，先从原有的数组中拷贝一份出来，然后在新的数组做写操作，写完之后，再将原来的数组引用指向到新数组。

?  　　 CopyOnWriteArrayList的整个add操作都是在锁的保护下进行的。 这样做是为了避免在多线程并发add的时候，复制出多个副本出来,把数据搞乱了，导致最终的数组数据不是我们期望的。

   

CopyOnWtiteArrayList.add(E e) {//整个过程中都加锁

        final ReentrantLock lock = this.lock;

        lock.lock();

        try {

	//获取旧数组

            Object[] elements = getArray();

            int len = elements.length;

            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);//建立新数组

            newElements[len] = e;//添加新值到新数组

            setArray(newElements);//引用指向

            return true;

        } finally {

            lock.unlock();

        }

    }

　　

  　　缺点：由于写操作的时候，需要拷贝数组，会消耗内存，如果原数组的内容比较多的情况下，可能导致young gc或者full gc;

　　不能用于实时读的场景，像拷贝数组、新增元素都需要时间，所以调用一个set操作后，读取到数据可能还是旧的,虽然CopyOnWriteArrayList能做到最终一致性,但是还是没法满足实时性要求；

?  　　总结：CopyOnWriteArrayList 合适读多写少的场景，不过这类慎用  因为谁也没法保证CopyOnWriteArrayList 到底要放置多少数据，万一数据稍微有点多，每次add/set都要重新复制数组，这个代价实在太高昂了。

 　　 设计思想：读写分离，读和写分开；最终一致性。最终保证List的结果是对的；使用另外开辟空间的思路，来解决并发冲突

  　　CopyOnWriteArrayList并发的读，则分几种情况：

　　　　如果写操作未完成，那么直接读取原数组的数据；

　　　　如果写操作完成，但是引用还未指向新数组，那么也是读取原数组数据；

　　　　如果写操作完成，并且引用已经指向了新的数组，那么直接从新数组中读取数据。

《2》CopyOnWriteArraySet

?   　　HashSet -> CopyOnWriteArraySet

　　　　CopyOnWriteArraySet底层实现是采用CopyOnWriteArrayList，适合比较小的集合，其中所有可变操作（add、set、remove等等）都是通过对底层数组进行一次新的复制来实现的,一般需要很大的开销。迭代器支持hasNext(), next()等不可变操作，不支持可变的remove操作；使用迭代器进行遍历的速度很快，并且不会与其他线程发生冲突。在构造迭代器时，迭代器依赖于不变的数组快照。

《3》ConcurrentSkipListSet

　　底层使用ConcurrentSkipListMap，TreeSet -> ConcurrentSkipListSet

　　ConcurrentSkipListSet<E>和TreeSet一样，都是支持自然排序，并且可以在构造的时候定义Comparator<E>的比较器，该类的方法基本和TreeSet中方法一样（方法签名一样）

　　和其他的Set集合一样，ConcurrentSkipListSet<E>都是基于Map集合的，ConcurrentSkipListMap便是它的底层实现

　　在多线程的环境下，ConcurrentSkipListSet<E>中的contains、add、remove操作是安全的，多个线程可以安全地并发执行插入、移除和访问操作。但是对于批量操作addAll、removeAll、retainAll 和 containsAll并不能保证以原子方式执行。理由很简单，因为addAll、removeAll、retainAll底层调用的还是contains、add、remove的方法，在批量操作时，只能保证每一次的contains、add、remove的操作是原子性的（即在进行contains、add、remove三个操作时，不会被其他线程打断），而不能保证每一次批量的操作都不会被其他线程打断。因此，在addAll、removeAll、retainAll 和 containsAll操作时，需要添加额外的同步操作。

　　此类不允许使用 null 元素，因为无法可靠地将 null 参数及返回值与不存在的元素区分开来。

《4》ConcurrentHashMap

?　　HashMap -> ConcurrentHashMap，不允许null值，绝大部分使用Map都是读取操作，而且读操作大多数都是成功的，因此，ConcurrentHashMap针对读操作进行了大量的优化。在高并发的场景下，有很大的优势。

　　因为多线程环境下，使用Hashmap进行put操作会引起死循环，导致CPU利用率接近100%，所以在并发情况下不能使用HashMap。 HashMap在put的时候，插入的元素超过了容量（由负载因子决定）的范围就会触发扩容操作，就是rehash，这个会重新将原数组的内容重新hash到新的扩容数组中，在多线程的环境下，存在同时其他的元素也在进行put操作，如果hash值相同，可能出现同时在同一数组下用链表表示，造成闭环，导致在get时会出现死循环，所以HashMap是线程不安全的。

　　HashTable，它是线程安全的，它在所有涉及到多线程操作的都加上了synchronized关键字来锁住整个table，这就意味着所有的线程都在竞争一把锁，在多线程的环境下，它是安全的，但是无疑是效率低下的。

?　　其实HashTable有很多的优化空间，锁住整个table这么粗暴的方法可以变相的柔和点，比如在多线程的环境下，对不同的数据集进行操作时其实根本就不需要去竞争一个锁，因为他们不同hash值，不会因为rehash造成线程不安全，所以互不影响，这就是锁分离技术，将锁的粒度降低，利用多个锁来控制多个小的table，多线程访问容器里不同数据段的数据时，线程间就不会存在锁竞争，从而可以有效的提高并发访问效率，这就是ConcurrentHashMapJDK1.7版本的核心思想。

《5》ConcurrentSkipListMap

?   　　TreeMap -> ConcurrentSkipListMap，内部使用``SkipList`结构实现的。跳表是一个链表，但是通过使用“跳跃式”查找的方式使得插入、读取数据时复杂度变成了O（log n）。

?   　　跳表（SkipList）：使用“空间换时间”的算法，令链表的每个结点不仅记录next结点位置，还可以按照level层级分别记录后继第level个结点。

　　  concurrentHashMap与ConcurrentSkipListMap性能测试

?  　　 在4线程1.6万数据的条件下，ConcurrentHashMap 存取速度是ConcurrentSkipListMap 的4倍左右。

?   　　但ConcurrentSkipListMap有几个ConcurrentHashMap不能比拟的优点：

　　ConcurrentSkipListMap 的key是有序的，而ConcurrentHashMap是做不到的

　　ConcurrentSkipListMap 支持更高的并发。ConcurrentSkipListMap的存取时间是log（N），和线程数几乎无关。也就是说在数据量一定的情况下，并发的线程越多，ConcurrentSkipListMap越能体现出他的优势。

   　　在非多线程情况下，尽量使用TreeMap，此外，对于并发性较低的程序，可以使用Collections工具所提供的方法synchronizedSortMap，它是将TreeMap进行包装。对于高并发场景下，应使用`ConcurrentSkipListMap`提供更高的并发度。并且，如果在多线程环境下，需要对`Map`的键值进行排序时，也要尽量使用ConcurrentSkipListMap。

《6》安全共享策略总结

?   以下策略是通过线程安全策略中的不可变对象、线程封闭、同步容器以及并发容器相关知识总结而得：

　　线程限制：一个被线程限制的对象，由线程独占，并且只能被占有它的线程修改

　　共享只读：一个共享只读的对象，在没有额外同步的情况下，可以被多个线程并发访问，但是任何线程都不能修改它

　　线程安全对象：一个线程安全的对象或容器，在内部通过同步机制来保证线程安全，所以其他线程无需额外的同步就可以通过公共接口随意访问它

　　被守护对象：被守护对象只能通过获取特定的锁来访问