Java多執行緒之同步集合和併發集合

不管是同步集合還是併發集合他們都支援執行緒安全，他們之間主要的區別體現在效能和可擴充套件性，還有他們如何實現的執行緒安全。

同步集合類

• Hashtable
• Vector
• 同步集合包裝類，Collections.synchronizedMap()和Collections.synchronizedList() 

併發集合類

• ConcurrentHashMap
• CopyOnWriteArrayList
• CopyOnWriteHashSet

效能

      同步集合比並發集合會慢得多，主要原因是鎖，同步集合會對整個May或List加鎖

併發集合的實現原理

• ConcurrentHashMap：把整個Map 劃分成幾個片段，只對相關的幾個片段上鎖，同時允許多執行緒訪問其他未上鎖的片段。
• CopyOnWriteArrayList：允許多個執行緒以非同步的方式讀，當有執行緒寫的時候它會將整個List複製一個副本給它。如果在讀多寫少這種對併發集合有利的條件下使用併發集合，這會比使用同步集合更具有可伸縮性。

併發集合的使用建議

• 一般不需要多執行緒的情況，只用到HashMap、ArrayList，只要真正用到多執行緒的時候就一定要考慮同步。所以這時候才需要考慮同步集合或併發集合。

ConcurrentHashMap實現原理

       ConcurrentHashMap是由Segment陣列結構和HashEntry陣列結構組成。Segment是一種可重入鎖ReentrantLock，在ConcurrentHashMap裡扮演鎖的角色，HashEntry則用於儲存鍵值對資料。一個ConcurrentHashMap裡包含一個Segment陣列，Segment的結構和HashMap類似，是一種陣列和連結串列結構， 一個Segment裡包含一個HashEntry陣列，每個HashEntry是一個連結串列結構的元素， 每個Segment守護者一個HashEntry數組裡的元素,當對HashEntry陣列的資料進行修改時，必須首先獲得它對應的Segment鎖。

什麼是CopyOnWrite容器

       CopyOnWrite容器即寫時複製的容器。通俗的理解是當我們往一個容器新增元素的時候，不直接往當前容器新增，而是先將當前容器進行Copy，複製出一個新的容器，然後新的容器裡新增元素，新增完元素之後，再將原容器的引用指向新的容器。這樣做的好處是我們可以對CopyOnWrite容器進行併發的讀，而不需要加鎖，因為當前容器不會新增任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一種讀寫分離的思想，讀和寫不同的容器。

CopyOnWriteArrayList的實現原理

可以發現在新增的時候是需要加鎖的，否則多執行緒寫的時候會Copy出N個副本出來。

Java程式碼 

public boolean add(T e) {  
    final ReentrantLock lock = this.lock;  
    lock.lock();  
    try {  
  
        Object[] elements = getArray();  
  
        int len = elements.length;  
  
        // 複製出新陣列  
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);  
  
        // 把新元素新增到新數組裡  
        newElements[len] = e;  
  
        // 把原陣列引用指向新陣列  
        setArray(newElements);  
  
        return true;  
  
    } finally {  
        lock.unlock();  
    }  
}  
  
  
final void setArray(Object[] a) {  
  
    array = a;  
  
}  

讀的時候不需要加鎖，如果讀的時候有多個執行緒正在向ArrayList新增資料，讀還是會讀到舊的資料，因為寫的時候不會鎖住舊的ArrayList。

Java程式碼 ：

public E get(int index) {  
    return get(getArray(), index);  
}  

JDK中並沒有提供CopyOnWriteMap，我們可以參考CopyOnWriteArrayList來實現一個，基本程式碼如下：
Java程式碼 ：

import java.util.Collection;  
import java.util.Map;  
import java.util.Set;  
   
public class CopyOnWriteMap<K, V> implements Map<K, V>, Cloneable {  
    private volatile Map<K, V> internalMap;  
   
    public CopyOnWriteMap() {  
        internalMap = new HashMap<K, V>();  
    }  
   
    public V put(K key, V value) {  
   
        synchronized (this) {  
            Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);  
            V val = newMap.put(key, value);  
            internalMap = newMap;  
            return val;  
        }  
    }  
   
    public V get(Object key) {  
        return internalMap.get(key);  
    }  
   
    public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> newData) {  
        synchronized (this) {  
            Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);  
            newMap.putAll(newData);  
            internalMap = newMap;  
        }  
    }  
}  

CopyOnWrite的應用場景

       CopyOnWrite併發容器用於讀多寫少的併發場景。比如白名單，黑名單，商品類目的訪問和更新場景，假如我們有一個搜尋網站，使用者在這個網站的搜尋框中，輸入關鍵字搜尋內容，但是某些關鍵字不允許被搜尋。這些不能被搜尋的關鍵字會被放在一個黑名單當中，黑名單每天晚上更新一次。當用戶搜尋時，會檢查當前關鍵字在不在黑名單當中，如果在，則提示不能搜尋。實現程式碼如下：

import java.util.Map;  
import com.ifeve.book.forkjoin.CopyOnWriteMap;  
  
/** 
 * 黑名單服務 
 * 
 * @author fangtengfei 
 * 
 */  
public class BlackListServiceImpl {  
   
    private static CopyOnWriteMap<String, Boolean> blackListMap = new CopyOnWriteMap<String, Boolean>(  
            1000);  
   
    public static boolean isBlackList(String id) {  
        return blackListMap.get(id) == null ? false : true;  
    }  
   
    public static void addBlackList(String id) {  
        blackListMap.put(id, Boolean.TRUE);  
    }  
   
    /** 
     * 批量新增黑名單 
     * 
     * @param ids 
     */  
    public static void addBlackList(Map<String,Boolean> ids) {  
        blackListMap.putAll(ids);  
    }  
}  

注意兩點：

• 減少擴容開銷。根據實際需要，初始化CopyOnWriteMap的大小，避免寫時CopyOnWriteMap擴容的開銷。
• 使用批量新增。因為每次新增，容器每次都會進行復制，所以減少新增次數，可以減少容器的複製次數。如使用上面程式碼裡的addBlackList方法。

CopyOnWrite的缺點

記憶體佔用問題

因為CopyOnWrite的寫時複製機制，所以在進行寫操作的時候，記憶體裡會同時駐紮兩個物件的記憶體，舊的物件和新寫入的物件（注意:在複製的時候只是複製容器裡的引用，只是在寫的時候會建立新物件新增到新容器裡，而舊容器的物件還在使用，所以有兩份物件記憶體）。如果這些物件佔用的記憶體比較大，比如說200M左右，那麼再寫入100M資料進去，記憶體就會佔用300M，那麼這個時候很有可能造成頻繁的Yong GC和Full GC。之前我們系統中使用了一個服務由於每晚使用CopyOnWrite機制更新大物件，造成了每晚15秒的Full GC，應用響應時間也隨之變長。

針對記憶體佔用問題，可以通過壓縮容器中的元素的方法來減少大物件的記憶體消耗，比如，如果元素全是10進位制的數字，可以考慮把它壓縮成36進位制或64進位制。或者不使用CopyOnWrite容器，而使用其他的併發容器，如ConcurrentHashMap。

資料一致性問題

CopyOnWrite容器只能保證資料的最終一致性，不能保證資料的實時一致性。所以如果你希望寫入的的資料，馬上能讀到，請不要使用CopyOnWrite容器。