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一、并发容器 J.U.C

JUC概述

Java并发容器JUC是三个单词的缩写。是JDK下面的一个包名。即Java.util.concurrency。
ArrayList、HashMap、HashSet在collection中都有相对应的同步容器保证其线程安全，这节我们介绍一下其对应的并发容器。

ArrayList –> CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList 写操作时复制，当有新元素添加到集合中时，从原有的数组中拷贝一份出来，然后在新的数组上作写操作，将原来的数组指向新的数组。整个数组的add操作都是在锁的保护下进行的，防止并发时复制多份副本。读操作是在原数组中进行，不需要加锁。

缺点：

• 写操作时复制消耗内存，如果元素比较多时候，容易导致young gc 和full gc。
• 不能用于实时读的场景。由于复制和add操作等需要时间，故读取时可能读到旧值。
• 能做到最终一致性，但无法满足实时性的要求，更适合读多写少的场景。
• 如果无法知道数组有多大，或者add,set操作有多少，慎用此类,在大量的复制副本的过程中很容易出错。

设计思想：

• 读写分离
• 最终一致性
• 使用时另外开辟空间，防止并发冲突

源码分析

//构造方法
public CopyOnWriteArrayList(Collection<? extends E> c) {
Object[] elements;//使用对象数组来承载数据
if (c.getClass() == CopyOnWriteArrayList.class)
elements = ((CopyOnWriteArrayList<?>)c).getArray();
else {
elements = c.toArray();
// c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
if (elements.getClass() != Object[].class)
elements = Arrays.copyOf(elements, elements.length, Object[].class);
}
setArray(elements);
}

//添加数据方法
public boolean add(E e) {
final ReentrantLock lock = this.lock;//使用重入锁，保证线程安全
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();//获取当前数组数据
int len = elements.length;
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);//复制当前数组并且扩容+1
newElements[len] = e;//将要添加的数据放入新数组
setArray(newElements);//将原来的数组指向新的数组
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}

//获取数据方法，与普通的get没什么差别
private E get(Object[] a, int index) {
return (E) a[index];
}

HashSet –> CopyOnWriteArraySet

它是线程安全的，底层实现使用的是CopyOnWriteArrayList，因此它也适用于大小很小的set集合，只读操作远大于可变操作。因为他需要copy整个数组，所以包括add、remove、set它的开销相对于大一些。

• 迭代器不支持可变的remove操作。使用迭代器遍历的时候速度很快，而且不会与其他线程发生冲突。
• CopyOnWriteArraySet底层使用CopyOnWriteArrayList，每次新加元素时，copy数组，查询是否已经存在，不存在则加入新的元素。（有点类似于使用lambda过滤list中的重复数据，以后在lambda章节中在分析）

源码分析：

//构造方法
public CopyOnWriteArraySet() {
al = new CopyOnWriteArrayList<E>();//底层使用CopyOnWriteArrayList
}

//添加元素方法，基本实现原理与CopyOnWriteArrayList相同
private boolean addIfAbsent(E e, Object[] snapshot) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
Object[] current = getArray();
int len = current.length;
if (snapshot != current) {//添加了元素去重操作
// Optimize for lost race to another addXXX operation
int common = Math.min(snapshot.length, len);
for (int i = 0; i < common; i++)
if (current[i] != snapshot[i] && eq(e, current[i]))
return false;
if (indexOf(e, current, common, len) >= 0)
return false;
}
Object[] newElements = Arrays.copyOf(current, len + 1);
newElements[len] = e;
setArray(newElements);
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}

HashMap –> ConcurrentHashMap

• 不允许空值，在实际的应用中除了少数的插入操作和删除操作外，绝大多数我们使用map都是读取操作。而且读操作大多数都是成功的。基于这个前提，它针对读操作做了大量的优化。因此这个类在高并发环境下有特别好的表现。
• ConcurrentHashMap作为Concurrent一族，其有着高效地并发操作，相比Hashtable的笨重，ConcurrentHashMap则更胜一筹了。
• 在1.8版本以前，ConcurrentHashMap采用分段锁的概念，使锁更加细化，但是1.8已经改变了这种思路，而是利用CAS+Synchronized来保证并发更新的安全，当然底层采用数组+链表+红黑树的存储结构。

源码分析：推荐参考chenssy的博文：J.U.C之Java并发容器：ConcurrentHashMap

TreeMap –> ConcurrentSkipListMap

• 底层实现采用SkipList跳表。
• 曾经有人用ConcurrentHashMap与ConcurrentSkipListMap做性能测试，在4个线程1.6W的数据条件下，前者的数据存取速度是后者的4倍左右。

但是后者有几个前者不能比拟的优点：

• Key是有序的
• 支持更高的并发，存储时间与线程数无关

TreeSet –> ConcurrentSkipListSet

它是JDK6新增的类，同TreeSet一样支持自然排序，并且可以在构造的时候自己定义比较器。

• 同其他set集合，是基于map集合的（基于ConcurrentSkipListMap），在多线程环境下，里面的contains、add、remove操作都是线程安全的。
• 多个线程可以安全的并发的执行插入、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，原因是addAll、removeAll、retainAll底层调用的还是contains、add、remove方法，只能保证每一次的执行是原子性的，代表在单一执行操纵时不会被打断，但是不能保证每一次批量操作都不会被打断。在使用批量操作时，还是需要手动加上同步操作的。
• 不允许使用null元素的，它无法可靠的将参数及返回值与不存在的元素区分开来。

源码分析：

//构造方法
public ConcurrentSkipListSet() {
m = new ConcurrentSkipListMap<E,Object>();//使用ConcurrentSkipListMap实现
}

安全共享对象策略

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：一个共享只读的变量，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者容器，在内部通过同步机制来保障线程安全，其他线程无需额外的同步就可以通过公共接口随意访问他。
被守护对象：被守护对象只能通过获取特定的锁来访问。