JavaEE 初階篇-線程安全的集合類、多線程環(huán)境使用 ArrayList、隊列、哈希表（HashMap 、ConCurrentHashMap 、HashTable 的區(qū)別）

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文章目錄

? ? ? ? 1.0 線程安全的集合類

? ? ? ? 1.2?線程安全的集合類 - Vector

? ? ? ? 1.3 線程安全的集合類 - Stack

? ? ? ? 1.4 線程安全的集合類 - HashTable

? ? ? ? 2.0 多線程環(huán)境使用 ArrayList

? ? ? ? 2.1 對 ArrayList 關(guān)鍵方法手動加鎖

? ? ? ? 2.2 利用 Collections.synchronized(new ArrayList) 方法創(chuàng)建

? ? ? ? 2.3 使用 CopyOnWriteArrayList 容器

? ? ? ? 3.0 多線程環(huán)境使用隊列

? ? ? ? 4.0 多線程環(huán)境使用哈希表

????????4.1 HashTable 類

? ? ? ? 4.2 ConcurrentHashMap 類

? ? ? ? 1.0 線程安全的集合類

? ? ? ? 對于原來熟悉的集合類，大部分都是不是線程安全的。

? ? ? ? 1.2?線程安全的集合類 - Vector

????????實現(xiàn)了動態(tài)數(shù)組的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需要動態(tài)增長或縮小。

? ? ? ? Vector 是一個線程安全的集合類主要來自以下幾個方面：

? ? ? ? 1）同步方法：Vector 中的所有方法都使用了 synchronized 關(guān)鍵字進(jìn)行同步，確保在多線程環(huán)境下對集合的操作是線程安全的。這意味著在對 Vector 進(jìn)行增刪改查等操作時，會對整個集合對象進(jìn)行加鎖，從而保證同一時刻只有一個線程能夠訪問集合。

? ? ? ? 2）迭代器同步：Vector 的迭代器是通過同步方法 synchronized 來實現(xiàn)的，這樣在迭代過程中，其他線程無法修改集合，避免了并發(fā)修改異常。

? ? ? ? 1.3 線程安全的集合類 - Stack

????????是 Java 中表示堆棧（棧）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類，它繼承自 Vector 類，因此也是線程安全的集合類。所有方法都使用了 synchronized 關(guān)鍵字進(jìn)行同步，確保在多線程環(huán)境下對棧的操作是線程安全的。

? ? ? ? 1.4 線程安全的集合類 - HashTable

????????HashTable 是基于哈希表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使用鍵值對存儲數(shù)據(jù)，類似于 HashMap。鍵和值都不允許為 null ，并且 HashTable 的鍵值對是無序的。

????????是一個線程安全的集合類，所有對 HashTable 的操作都是同步的，即線程安全的。在每個公共方法中都使用了 synchronized 關(guān)鍵字，確保多線程環(huán)境下的并發(fā)訪問是安全的。

? ? ? ? 2.0 多線程環(huán)境使用 ArrayList

? ? ? ? 2.1 對 ArrayList 關(guān)鍵方法手動加鎖

????????自己使用同步機(jī)制，自己手動對關(guān)鍵操作方法加上鎖。如 synchronized 或者 ReentrantLock 。

? ? ? ? 2.2 利用 Collections.synchronized(new ArrayList) 方法創(chuàng)建

創(chuàng)建方式：

List<String> synchronizedList = Collections.synchronizedList(normalList);

代碼如下：

import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.List;

public class SynchronizedListExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 創(chuàng)建一個普通的 ArrayList
        List<String> normalList = new ArrayList<>();

        // 使用 Collections.synchronizedList 方法創(chuàng)建一個線程安全的 List
        List<String> synchronizedList = Collections.synchronizedList(normalList);

        // 在多線程環(huán)境下操作 synchronizedList 是線程安全的
        // 可以對 synchronizedList 進(jìn)行添加、刪除、遍歷等操作而不用擔(dān)心線程安全性

        // 示例：在多線程環(huán)境下添加元素
        Runnable addTask = () -> {
            synchronizedList.add("Element");
            System.out.println("Added element by thread: " + Thread.currentThread().getName());
        };

        // 創(chuàng)建多個線程來添加元素
        Thread thread1 = new Thread(addTask);
        Thread thread2 = new Thread(addTask);

        thread1.start();
        thread2.start();

        // 等待線程執(zhí)行完成
        try {
            thread1.join();
            thread2.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 打印最終的 synchronizedList
        System.out.println("Final synchronizedList: " + synchronizedList);
    }
}

? ? ? ? 2.3 使用 CopyOnWriteArrayList 容器

? ? ? ? CopyOnWriteArrayList 容器即寫時復(fù)制的容器。

? ? ? ? 當(dāng)我們往一個容器中添加元素時，不會直接往當(dāng)前容器中添加，而是先將當(dāng)前容器進(jìn)行 Copy，復(fù)制出一個新的容器，然后往新的容器里添加元素。

? ? ? ? 添加完畢元素之后，再將原容器的引用指向新的容器。

優(yōu)點：

? ? ? ? 1）這樣做的好處是我們對 CopyOnWrite 容器進(jìn)行并發(fā)的讀，而不需要加鎖，因為當(dāng)前的容器不會添加任何元素。所以 CopyOnWrite 容器也是一種讀寫分離的思想，讀和寫不同的容器。

? ? ? ? 2）在讀多寫少的場景下，性能很好，不需要加鎖競爭。

缺點：

? ? ? ? 1）占用內(nèi)存較多。

? ? ? ? 2）新寫的數(shù)據(jù)不能被第一時間讀取到。

代碼如下：

import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;

public class CopyOnWriteArrayListExample {
    public static void main(String[] args) {
        CopyOnWriteArrayList<String> copyOnWriteList = new CopyOnWriteArrayList<>();

        // 添加元素
        copyOnWriteList.add("Element 1");
        copyOnWriteList.add("Element 2");

        // 創(chuàng)建多個線程來并發(fā)地修改列表
        Runnable addTask = () -> {
            copyOnWriteList.add("New Element");
            System.out.println("Added element by thread: " + Thread.currentThread().getName());
        };

        Thread thread1 = new Thread(addTask);
        Thread thread2 = new Thread(addTask);

        thread1.start();
        thread2.start();

        // 等待線程執(zhí)行完成
        try {
            thread1.join();
            thread2.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 打印最終的 copyOnWriteList
        System.out.println("Final copyOnWriteList: " + copyOnWriteList);
    }
}

????????是一種特定的并發(fā)控制技術(shù)，它在讀操作時不加鎖，只有在寫操作時才會加鎖。

? ? ? ? 3.0 多線程環(huán)境使用隊列

? ? ? ? 1）基于數(shù)值實現(xiàn)的阻塞隊列：ArrayBlockingQueue

? ? ? ? 2）基于鏈表實現(xiàn)的阻塞隊列：LinkedBlockingQueue

? ? ? ? 3）基于優(yōu)先級隊列實現(xiàn)的阻塞隊列：PriorityBlockingQueue

? ? ? ? 4）最多只包含一個元素的阻塞隊列：TransferQueue

以 LinkedBlockingQueue 舉個例子：

import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;

public class LinkedBlockingQueueExample {
    public static void main(String[] args) {
        LinkedBlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<>();

        // 創(chuàng)建生產(chǎn)者線程
        Runnable producer = () -> {
            try {
                for (int i = 0; i < 5; i++) {
                    String element = "Element " + i;
                    queue.put(element);
                    System.out.println("Produced: " + element);
                    Thread.sleep(1000); // 模擬生產(chǎn)過程
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        };

        // 創(chuàng)建消費(fèi)者線程
        Runnable consumer = () -> {
            try {
                while (true) {
                    String element = queue.take();
                    System.out.println("Consumed: " + element);
                    Thread.sleep(1500); // 模擬消費(fèi)過程
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        };

        // 啟動生產(chǎn)者和消費(fèi)者線程
        Thread producerThread = new Thread(producer);
        Thread consumerThread = new Thread(consumer);

        producerThread.start();
        consumerThread.start();
    }
}

????????LinkedBlockingQueue 實例 queue，然后分別創(chuàng)建了生產(chǎn)者線程和消費(fèi)者線程。生產(chǎn)者線程不斷向隊列中生產(chǎn)元素，消費(fèi)者線程則從隊列中消費(fèi)元素，實現(xiàn)了生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間的協(xié)作。

? ? ? ? 4.0 多線程環(huán)境使用哈希表

? ? ? ? HashMap 本身不是線程安全的。

? ? ? ? 在多線程環(huán)境下使用哈希表可用使用：HashTable 、ConcurrentHashMap

????????4.1 HashTable 類

? ? ? ? 現(xiàn)在雖然已經(jīng)有了 HashTable 類實現(xiàn)了線程安全了，只是簡單的把關(guān)鍵方法加上了 synchronized 關(guān)鍵字而已。一個 HashTable 只有一把鎖，兩個線程訪問 HashTable 中的任意數(shù)據(jù)都會出現(xiàn)鎖競爭。

? ? ? ? 1）如果多線程訪問同一個 HashTable 就會直接造成鎖沖突。

? ? ? ? 2）size 屬性也是通過 synchronized 來控制同步，也是比較慢的。

? ? ? ? 3）一旦觸發(fā)擴(kuò)容，就由該線程完成整個擴(kuò)容過程，這個過程會涉及到大量的元素拷貝，效率會非常低。

? ? ? ? 4.2 ConcurrentHashMap 類

? ? ? ? 相比于 HashTable 做出了一系列的改進(jìn)和優(yōu)化。

? ? ? ? ConcurrentHashMap 每個哈希桶都有一把鎖，只有兩個線程訪問的恰好是同一個哈希桶上的數(shù)據(jù)才出現(xiàn)鎖沖突。但是這個概率很低，所以鎖沖突也很小，鎖競爭小。

? ? ? ? 1）讀操作沒有加鎖，但是使用了 Volatile 保證從內(nèi)存讀取結(jié)果。只對寫操作進(jìn)行加鎖，加鎖的方式仍然是 synchronized ，但是不是鎖整個對象，而是“鎖桶”，每一個鏈表的頭節(jié)點作為鎖對象，大大降低了鎖沖突的概率。由于哈希表是由數(shù)組與鏈表或者紅黑樹組成的，數(shù)組的長度很長，因此相對鏈表的長度來說，鏈表的長度就很短了，所以在多線程中，對數(shù)組中的某一個鏈表大概率是不會沖突的，因此即使每一個鏈表都上鎖了，這個鎖也大概率是偏向鎖，大概率是沒有加鎖和解鎖的開銷。

? ? ? ? 2）充分利用 CAS 特性，比如 size 屬性通過 CAS 來更新，避免出現(xiàn)重量級鎖的情況。

? ? ? ? 3）優(yōu)化了擴(kuò)容方式：化整為零

? ? ? ? 發(fā)現(xiàn)需要擴(kuò)容的線程，只需要創(chuàng)建一個新的數(shù)組，同時只搬幾個元素過去。擴(kuò)容期間，新老數(shù)組同時存在。后續(xù)每一個來操作 ConcurrentHashMap 的線程，都會參與搬家的過程，每個操作負(fù)責(zé)搬運(yùn)一小部分元素。這個期間，插入只往新數(shù)組加，查詢需要同時新舊數(shù)組。

? ? ? ? 搬完最后一個元素再把舊數(shù)組刪掉。

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