【Java核心-进阶】并发工具包——线程安全的 List、Map、Set

三大并发类：Concurrent、CopyOnWrite、Blocking

Java并发包中的集合从线程安全实现方式而言可分为三类：Concurrent、CopyOnWrite、Blocking。

• Concurrent 类的集合基于 lock-free 的方式实现。严格来说，它们是真正的并发。适合实现较高的吞吐量。
• CopyOnWrite 类的集合顾名思义，会在该变集合的操作中拷贝原数据，并用新的内部集合对象替换原内部对象。
• Blocking 类的集合则通过锁（ReentrantLock）实现。它们会提供 “等待性” 的方法。

Concurrent 的代价

虽然 Concurrent 类的集合没有 CopyOnWrite 那么中的修改开销，但这是有代价的：

• Concurrent 集合的遍历一致性较弱。
  在利用迭代器遍历时，如果容器发生修改，迭代器可以继续进行遍历，不会抛出 ConcurrentModificationException。
  在 HashMap 中则会抛出此异常（也就是 fail-fast 机制）
• 因为是弱一致性，所以 size 等操作未必准确。
• 读取的性能也具有不确定性。

 

List

CopyOnWriteArrayList

CopyOnWrite 是指对该集合的任何修改操作都会：拷贝原数组，修改后替换原数组；以此达到线程安全的目的。
这种数据结构适合 读多写少 的场景。因为修改开销比较大。

可直接查看其 add() 方法了解实现原理：

public boolean add(E e) {
  final ReentrantLock lock = this.lock;
  lock.lock();
  try {
    Object elements = getArray();
    int len = elements.length;
    // 拷贝原数组
    Object[] newElements = Array.copyOf(elements, len + 1);
    newElements[len] = e;
    // 替换原数组（引用）
    setArray(newElements);
    return true;
  } finally {
    lock.unlock();
  }
}

 

Map

ConcurrentHashMap vs ConcurrentSkipListMap

• ConcurrentHashMap 的存取速度更快
• ConcurrentSkipListMap 的元素是经过排序的（它实现了接口 SortedMap）

为什么 HashMap 有对应的 ConcurrentHashMap，而 TreeMap 没有对应的 ConcurrentTreeMap ？
TreeMap 也实现了接口 SortedMap，它的元素也是经过排序的，为什么又造出一个 ConcurrentSkipListMap？
因为 TreeMap 内部基于复杂的红黑树，很难在并发场景中实现进行合理粒度的同步。
SkipList 的内部结构更简单，实现增删元素时的线程安全开销更小；但是会占用更多空间。

 

Set

不存在的 ConcurrentHashSet

不知道为啥没有一个对应的 ConcurrentHashSet。
虽然可以通过JDK自带的 Collections.newSetFromMap() 方法创建一个基于 ConcurrentHashMap 的线程安全 Set。
但是一般来说有一个对称的语义是比较好的设计。HashMap - HashSet, ConcurrentHashMap - ConcurrentHashSet。

Guava 中的 Sets.newConcurrentHashSet() 内部就是通过上述方式实现的：

public static  Set newConcurrentHashSet() {
  return Collections.newSetFromMap(new ConcurrentHashMap<E, Boolean>());
}

ConcurrentSkipListSet

就像 HashSet 和 HashMap 的关系，ConcurrentSkipListSet 内部用 ConcurrentSkipListMap 实现（value 为 Boolean.TRUE）

CopyOnWriteArraySet

CopyOnWriteArraySet 内部用 CopyOnWriteArrayList 实现。
适用于数据量很少，且读操作远远多于写操作的情况。在遍历的时候应避免多个线程操作其引用。

 

我想要线程安全的 LinkedHashMap

LinkedHashMap 经常被用于实现 LRU缓存（Least Recently Used）。
很遗憾的是JDK中没有对应的线程安全实现。对性能要求高的场景中，Collections.synchronizedMap() 之类的外层一刀切式同步方案又不合适。
这时可以考虑一个第三方的实现方案：guava 的 CacheBuilder。例：

Map<String, String> cache = CacheBuilder.newBuilder()
    .maximumSize(100)
    .<String, String>build()
    .asMap();

 

POM依赖：

<dependency>
  <groupId>com.google.guava</groupId>
  <artifactId>guava</artifactId>
  <version>28.0-jre</version>
</dependency>