【Java EE】线程安全的集合类

原来的集合类, 大部分都不是线程安全的.

Vector, Stack, HashTable, 是线程安全的(不建议⽤), 其他的集合类不是线程安全的.

那如何在多线程环境下安全的使用 集合类呢？

🌴多线程环境使用 ArrayList

1. ⾃⼰使⽤同步机制 (synchronized 或者 ReentrantLock)
前⾯做过很多相关的讨论了. 此处不再展开.可以查看博主之前的博客
2. Collections.synchronizedList(new ArrayList);

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

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，⽽不需要加锁，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:

1. 占⽤内存较多.
2. 新写的数据不能被第⼀时间读取到

🎍多线程环境使⽤队列

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

🍀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

🌸 Hashtable

只是简单的把关键⽅法加上了 synchronized 关键字

这相当于直接针对 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⻉, 效率会⾮常低.

🌸ConcurrentHashMap

相⽐于 Hashtable 做出了⼀系列的改进和优化. 以 Java1.8 为例

1. 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.
2. 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.
3. 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
  
  ConcurrentHashMap每个哈希桶都有一把锁，只有两个线程访问的恰好是同一个哈希桶上的数据才会出现锁冲突。

⭕相关面试题

1. ConcurrentHashMap的读是否要加锁，为什么?

读操作没有加锁. ⽬的是为了进⼀步降低锁冲突的概率. 为了保证读到刚修改的数据, 搭配了 volatile
关键字.

2. 介绍下 ConcurrentHashMap的锁分段技术?

这个是 Java1.7 中采取的技术. Java1.8 中已经不再使⽤了. 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.

3. ConcurrentHashMap在jdk1.8做了哪些优化？

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).
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. 当链表较⻓的时候(⼤于等于 8 个
元素)就转换成红⿊树.

4. Hashtable和HashMap、ConcurrentHashMap 之间的区别?

HashMap: 线程不安全. key 允许为 null
Hashtable: 线程安全. 使⽤ synchronized 锁 Hashtable 对象, 效率较低. key 不允许为 null.
ConcurrentHashMap: 线程安全. 使⽤ synchronized 锁每个链表头结点, 锁冲突概率低, 充分利⽤
CAS 机制. 优化了扩容⽅式. key 不允许为 null

🔥其他常⻅问题

1. 谈谈 volatile关键字的⽤法?

volatile 能够保证内存可⻅性. 强制从主内存中读取数据. 此时如果有其他线程修改被 volatile 修饰的
变量, 可以第⼀时间读取到最新的值

2. Java多线程是如何实现数据共享的?

JVM 把内存分成了这⼏个区域:
⽅法区, 堆区, 栈区, 程序计数器.
其中堆区这个内存区域是多个线程之间共享的.
只要把某个数据放到堆内存中, 就可以让多个线程都能访问到.

3. Java创建线程池的接⼝是什么？参数 LinkedBlockingQueue 的作⽤是什么？

创建线程池主要有两种⽅式:
• 通过 Executors ⼯⼚类创建. 创建⽅式⽐较简单, 但是定制能⼒有限.
• 通过 ThreadPoolExecutor 创建. 创建⽅式⽐较复杂, 但是定制能⼒强.
LinkedBlockingQueue 表⽰线程池的任务队列. ⽤⼾通过 submit / execute 向这个任务队列中
添加任务, 再由线程池中的⼯作线程来执⾏任务.

4. Java线程共有⼏种状态？状态之间怎么切换的？

• NEW: 安排了⼯作, 还未开始⾏动. 新创建的线程, 还没有调⽤ start ⽅法时处在这个状态.
• RUNNABLE: 可⼯作的. ⼜可以分成正在⼯作中和即将开始⼯作. 调⽤ start ⽅法之后, 并正在 CPU 上
运⾏/在即将准备运⾏ 的状态.
• BLOCKED: 使⽤ synchronized 的时候, 如果锁被其他线程占⽤, 就会阻塞等待, 从⽽进⼊该状态.
• WAITING: 调⽤ wait ⽅法会进⼊该状态.
• TIMED_WAITING: 调⽤ sleep ⽅法或者 wait(超时时间) 会进⼊该状态.
• TERMINATED: ⼯作完成了. 当线程 run ⽅法执⾏完毕后, 会处于这个状态

5. 在多线程下，如果对⼀个数进⾏叠加，该怎么做？

• 使⽤ synchronized / ReentrantLock 加锁
• 使⽤ AtomInteger 原⼦操作.

6. Servlet是否是线程安全的？

Servlet 本⾝是⼯作在多线程环境下.
如果在 Servlet 中创建了某个成员变量, 此时如果有多个请求到达服务器, 服务器就会多线程进⾏操
作, 是可能出现线程不安全的情况的

7. Thread和Runnable的区别和联系?

Thread 类描述了⼀个线程.
Runnable 描述了⼀个任务.
在创建线程的时候需要指定线程完成的任务, 可以直接重写 Thread 的 run ⽅法, 也可以使⽤
Runnable 来描述这个任务.

8. 多次start⼀个线程会怎么样

第⼀次调⽤ start 可以成功调⽤.
后续再调⽤ start 会抛出 java.lang.IllegalThreadStateException 异常

9. 有synchronized两个⽅法，两个线程分别同时⽤这个⽅法，请问会发⽣什么？

synchronized 加在⾮静态⽅法上, 相当于针对当前对象加锁.
如果这两个⽅法属于同⼀个实例:
线程1 能够获取到锁, 并执⾏⽅法. 线程2 会阻塞等待, 直到线程1 执⾏完毕, 释放锁, 线程2 获取到锁之
后才能执⾏⽅法内容.
如果这两个⽅法属于不同实例:
两者能并发执⾏, 互不⼲扰.

10. 进程和线程的区别？

• 进程是包含线程的. 每个进程⾄少有⼀个线程存在，即主线程。
• 进程和进程之间不共享内存空间. 同⼀个进程的线程之间共享同⼀个内存空间.
• 进程是系统分配资源的最⼩单位，线程是系统调度的最⼩单位。