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七、线程安全集合类

分类：Java 多线程    2024-04-05    阅读(69)

前言

在数据结构中，我们学习过 Java 的内置集合，但是我们知道，我们学过的大多数集合类都是线程不安全的，少数如 Vector，Stack，HashTable 是线程安全的，但这些都是一些比较“粗糙”的类（在所有方法上加了 synchronized 锁），一般不建议使用。

那么当我们想要在多线程下使用集合类该怎么处理呢？

一、多线程使用线性表

方式1：手动给会出现线程安全问题的逻辑加锁。

例如多个线程修改 ArrayList，此时可能出现问题，就可以给修改操作进行加锁。

方式2：使用 Collections.synchronizedList(); 封装

将想要使用的线性表用上述方法封装起来，相当于给集合里的关键方法加上了锁。

file

方式3：使用使用 CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList 原理

  1. CopyOnWriteArrayList 又称写时复制的容器。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。
  2. 这样做的好处是我们可以对 CopyOnWriteArrayList 容器进行并发的读，而不需要加锁（只有在写时加锁），因为当前容器不会添加任何元素。
  3. 所以说 CopyOnWriteArrayList 容器采用的是一种读写分离的思想，读和写不同的容器。

优点：

  • 适用于读多写少的场景下。在读多写少的场景下，性能很高，不需要加锁竞争.

缺点：

  • 在修改时需要重新拷贝容器，占用内存较多。
  • 新写的数据不能被第一时间读取到，即可能出现“脏读”问题。

二、多线程使用栈和队列

多线程使用栈和队列，我们可以直接使用 Java 标准库提供的阻塞队列，因为带有阻塞功能，这些集合在多线程下是线程安全的：

  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

三、多线程下使用哈希表

哈希表也是我们经常会使用到的集合类，而标准库提供了 3 种哈希表，3 种哈希表之间的区别也是一个非常重要的知识点，下面就花点时间，对比一下 HashMap、HashTable、ConcurrentHashMap。

（1）HashMap

HashMap 不必多说，这就是一个在单线程下使用的哈希表，本身是不安全的。

（2）HashTable

HashTable 是对其中的公共方法加上了 synchronized 锁，其实就想当于给整个哈希表上了锁。如果多个线程访问同一个 HashTable 就和产生锁竞争，而且一旦触发扩容就由该线程完成整个扩容过程，效率会非常低。我们可以简单画个图理解一下：

file

（3）ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap 在 HashTable 的基础上做了一些优化：

Java1.7 中主要的优化手段是：

使用的是分段锁技术， 简单的说就是把若干个哈希桶分成一个"段" (Segment)，针对每个段分别加锁。目的也是为了降低锁竞争的概率。当两个线程访问的数据恰好在同一个段上的时候，才触发锁竞争。

Java1.8 中的优化

优化1：读写操作（最关键的优化）

在Java1.8中取消了分段锁，直接给每个哈希桶/每个链表，分配了一个锁，就是以每个链表的头结点对象作为锁对象。在读操作上取消了加锁，使用了 volatile 保证从内存读取结果。同样我们画个图理解：

![file](https://pottercoding.cn/wp-content/uploads/2024/04/image-1712325254993.png)

举个例子：

假如现在有两个线程，插入两个元素。线程 1 插入元素对应下标为 1 的链表上；线程 2 插入的元素，对应在下标为 2
的链表上。此时就相当于是两个线程修改不同的变量，显然是没有线程安全问题的。ConcurrentHashMap，每次插入操作只是针对对应的链表加锁，操作不同的链表就是针对不同的锁加锁，不会产生锁竞争。因此这就导致大部分加锁实际上是没有所冲突的，而这里的加锁操作开销也就微乎其微了。如果此时使用的是 HashTable，由于是对整个哈希表加锁，这两个插入依然会对同一个 this 产生锁竞争，产生阻塞等待。

优化2：重复利用CAS特性
例如更新、获取元素个数直接使用 CAS 完成，不必加锁。

优化3：优化扩容机制（化整为零）
我们知道哈希表中有一个参数叫做“负载因子”。如果元素过多，导致负载因子过大就要考虑扩容。

扩容就需要重新申请内存空间，把元素从旧的哈希表上删掉，插入到新的哈希表上。但是如果哈希表元素非常多，搬运一次就会导致这一次put操作非常卡顿。

而对于 ConcurrentHashMap 的扩容策略——化整为零。发现需要扩容的线程，只需要创建一个新的数组（更大的内存空间），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。在此期间，插入只往新数组加，查找需要同时查新数组和老数组。

优化4：底层实现
将原来数组 + 链表 的实现方式改进成 数组 + 链表 / 红黑树 的方式。当链表较长的时候(大于等于8 个元素)就转换成红黑树。

使用HashMap、HashTable、ConcurrentHashMap 冷知识：

  • HashMap：key 允许为 null
  • HashTable：key 不允许为 null
  • ConcurrentHashMap：key 不允许为 null