线程安全集合

线程安全集合
简介
JDK 1.2 中引入的 Collection 框架是一种表示对象集合的高度灵活的框架，它使用基本接口 List、Set 和 Map。通过 JDK 提供每个集合的多次实现（HashMap、Hashtable、TreeMap、WeakHashMap、HashSet、TreeSet、Vector、ArrayList、LinkedList 等等）。其中一些集合已经是线程安全的（Hashtable 和 Vector），通过同步的封装工厂（Collections.synchronizedMap()、synchronizedList() 和 synchronizedSet()），其余的集合均可表现为线程安全的。
java.util.concurrent 包添加了多个新的线程安全集合类（ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList 和 CopyOnWriteArraySet）。这些类的目的是提供高性能、高度可伸缩性、线程安全的基本集合类型版本。
java.util 中的线程集合仍有一些缺点。例如，在迭代锁定时，通常需要将该锁定保留在集合中，否则，会有抛出 ConcurrentModificationException 的危险。（这个特性有时称为条件线程安全；有关的更多说明，请参阅 参考资料。）此外，如果从多个线程频繁地访问集合，则常常不能很好地执行这些类。java.util.concurrent 中的新集合类允许通过在语义中的少量更改来获得更高的并发。
JDK 5.0 还提供了两个新集合接口 —— Queue 和 BlockingQueue。Queue 接口与 List 类似，但它只允许从后面插入，从前面删除。通过消除 List 的随机访问要求，可以创建比现有 ArrayList 和 LinkedList 实现性能更好的 Queue 实现。因为 List 的许多应用程序实际上不需要随机访问，所以Queue 通常可以替代 List，来获得更好的性能。
弱一致的迭代器
java.util 包中的集合类都返回 fail-fast 迭代器，这意味着它们假设线程在集合内容中进行迭代时，集合不会更改它的内容。如果 fail-fast 迭代器检测到在迭代过程中进行了更改操作，那么它会抛出 ConcurrentModificationException，这是不可控异常。
在迭代过程中不更改集合的要求通常会对许多并发应用程序造成不便。相反，比较好的是它允许并发修改并确保迭代器只要进行合理操作，就可以提供集合的一致视图，如 java.util.concurrent 集合类中的迭代器所做的那样。
java.util.concurrent 集合返回的迭代器称为弱一致的（weakly consistent）迭代器。对于这些类，如果元素自从迭代开始已经删除，且尚未由 next() 方法返回，那么它将不返回到调用者。如果元素自迭代开始已经添加，那么它可能返回调用者，也可能不返回。在一次迭代中，无论如何更改底层集合，元素不会被返回两次。
CopyOnWriteArrayList 和 CopyOnWriteArraySet
可以用两种方法创建线程安全支持数据的 List —— Vector 或封装 ArrayList 和 Collections.synchronizedList()。java.util.concurrent 包添加了名称繁琐的 CopyOnWriteArrayList。为什么我们想要新的线程安全的 List 类？为什么 Vector 还不够？
最简单的答案是与迭代和并发修改之间的交互有关。使用 Vector 或使用同步的 List 封装器，返回的迭代器是 fail-fast 的，这意味着如果在迭代过程中任何其他线程修改 List，迭代可能失败。
Vector 的非常普遍的应用程序是存储通过组件注册的监听器的列表。当发生适合的事件时，该组件将在监听器的列表中迭代，调用每个监听器。为了防止 ConcurrentModificationException，迭代线程必须复制列表或锁定列表，以便进行整体迭代，而这两种情况都需要大量的性能成本。
CopyOnWriteArrayList 类通过每次添加或删除元素时创建支持数组的新副本，避免了这个问题，但是进行中的迭代保持对创建迭代器时的当前副本进行操作。虽然复制也会有一些成本，但是在许多情况下，迭代要比修改多得多，在这些情况下，写入时复制要比其他备用方法具有更好的性能和并发性。
如果应用程序需要 Set 语义，而不是 List，那么还有一个 Set 版本 —— CopyOnWriteArraySet。
ConcurrentHashMap
正如已经存在线程安全的 List 的实现，您可以用多种方法创建线程安全的、基于 hash 的 Map —— Hashtable，并使用 Collections.synchronizedMap() 封装 HashMap。JDK 5.0 添加了 ConcurrentHashMap 实现，该实现提供了相同的基本线程安全的 Map 功能，但它大大提高了并发性。
Hashtable 和 synchronizedMap 所采取的获得同步的简单方法（同步 Hashtable 中或者同步的 Map 封装器对象中的每个方法）有两个主要的不足。首先，这种方法对于可伸缩性是一种障碍，因为一次只能有一个线程可以访问 hash 表。同时，这样仍不足以提供真正的线程安全性，许多公用的混合操作仍然需要额外的同步。虽然诸如 get() 和 put() 之类的简单操作可以在不需要额外同步的情况下安全地完成，但还是有一些公用的操作序列，例如迭代或者 put-if-absent（空则放入），需要外部的同步，以避免数据争用。
Hashtable 和 Collections.synchronizedMap 通过同步每个方法获得线程安全。这意味着当一个线程执行一个 Map 方法时，无论其他线程要对 Map 进行什么样操作，都不能执行，直到第一个线程结束才可以。
对比来说，ConcurrentHashMap 允许多个读取几乎总是并发执行，读和写操作通常并发执行，多个同时写入经常并发执行。结果是当多个线程需要访问同一 Map 时，可以获得更高的并发性。
在大多数情况下，ConcurrentHashMap 是 Hashtable或 Collections.synchronizedMap(new HashMap()) 的简单替换。然而，其中有一个显著不同，即 ConcurrentHashMap 实例中的同步不锁定映射进行独占使用。实际上，没有办法锁定 ConcurrentHashMap 进行独占使用，它被设计用于进行并发访问。为了使集合不被锁定进行独占使用，还提供了公用的混合操作的其他（原子）方法，如 put-if-absent。ConcurrentHashMap 返回的迭代器是弱一致的，意味着它们将不抛出 ConcurrentModificationException ，将进行“合理操作”来反映迭代过程中其他线程对 Map 的修改。
队列
原始集合框架包含三个接口：List、Map 和 Set。List 描述了元素的有序集合，支持完全随即访问 —— 可以在任何位置添加、提取或删除元素。
LinkedList 类经常用于存储工作元素（等待执行的任务）的列表或队列。然而，List 提供的灵活性比该公用应用程序所需要的多得多，这个应用程序通常在后面插入元素，从前面删除元素。但是要支持完整 List 接口则意味着 LinkedList 对于这项任务不像原来那样有效。Queue 接口比 List 简单得多，仅包含 put() 和 take() 方法，并允许比 LinkedList 更有效的实现。
Queue 接口还允许实现来确定存储元素的顺序。ConcurrentLinkedQueue 类实现先进先出（first-in-first-out，FIFO）队列，而 PriorityQueue 类实现优先级队列（也称为堆），它对于构建调度器非常有用，调度器必须按优先级或预期的执行时间执行任务。
interface Queue extends Collection {
boolean offer(E x);
E poll();
E remove() throws NoSuchElementException;
E peek();
E element() throws NoSuchElementException;
}
实现 Queue 的类是：
• LinkedList 已经进行了改进来实现 Queue。
• PriorityQueue 非线程安全的优先级对列（堆）实现，根据自然顺序或比较器返回元素。
• ConcurrentLinkedQueue 快速、线程安全的、无阻塞 FIFO 队列。
BlockingQueue
Queues 可以是受限制的，也可以是不受限制的。当试图向已满的队列中添加元素时，或者当试图从空队列中删除元素时，尝试修改受限制的队列将会失败。
有时，当队列操作可能会失败时，您可能更愿意是该失败造成线程阻塞。除了不需要调用类来处理失败和重试，阻塞还具有流控制的优点，如果消费者从对列删除元素的速度比生产者向队列放入元素的速度慢，则强制生产者阻塞将会抑制生产者。将这与不受限制的、无阻塞队列形成对比，如果生产者和消费者之间的不平衡长期存在，系统可能会将内存用完，因为队列长度会无限制地增长。受限制的、阻塞队列允许您以合理自然的方式限制给定队列使用的资源。
实现 BlockingQueue 的类有：
• LinkedBlockingQueue 向链接列表一样实现的受限制或不受限制的 FIFO 阻塞队列。
• PriorityBlockingQueue 不受限制的阻塞优先级队列。
• ArrayBlockingQueue 数组支持的受限制 FIFO 阻塞队列。
• SynchronousQueue 不是真正的队列，但方便了互操作线程之间的同步传递。