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  • Java多线程之同步集合和并发集合

    Java多线程之同步集合和并发集合

    不管是同步集合还是并发集合他们都支持线程安全，他们之间主要的区别体现在性能和可扩展性，还有他们如何实现的线程安全。

    同步集合类

    • Hashtable
    • Vector
    • 同步集合包装类，Collections.synchronizedMap()和Collections.synchronizedList() 

    并发集合类

    • ConcurrentHashMap
    • CopyOnWriteArrayList
    • CopyOnWriteHashSet

    性能

          同步集合比并发集合会慢得多，主要原因是锁，同步集合会对整个May或List加锁

    并发集合的实现原理

    • ConcurrentHashMap：把整个Map 划分成几个片段，只对相关的几个片段上锁，同时允许多线程访问其他未上锁的片段。
    • CopyOnWriteArrayList：允许多个线程以非同步的方式读，当有线程写的时候它会将整个List复制一个副本给它。如果在读多写少这种对并发集合有利的条件下使用并发集合，这会比使用同步集合更具有可伸缩性。

    并发集合的使用建议

    • 一般不需要多线程的情况，只用到HashMap、ArrayList，只要真正用到多线程的时候就一定要考虑同步。所以这时候才需要考虑同步集合或并发集合。

    ConcurrentHashMap实现原理

           ConcurrentHashMap是由Segment数组结构和HashEntry数组结构组成。Segment是一种可重入锁ReentrantLock，在ConcurrentHashMap里扮演锁的角色，HashEntry则用于存储键值对数据。一个ConcurrentHashMap里包含一个Segment数组，Segment的结构和HashMap类似，是一种数组和链表结构， 一个Segment里包含一个HashEntry数组，每个HashEntry是一个链表结构的元素， 每个Segment守护者一个HashEntry数组里的元素,当对HashEntry数组的数据进行修改时，必须首先获得它对应的Segment锁。

     

     

    什么是CopyOnWrite容器

           CopyOnWrite容器即写时复制的容器。通俗的理解是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。

    CopyOnWriteArrayList的实现原理

    可以发现在添加的时候是需要加锁的，否则多线程写的时候会Copy出N个副本出来。

    Java代码  收藏代码
    1. public boolean add(T e) {  
    2.     final ReentrantLock lock = this.lock;  
    3.     lock.lock();  
    4.     try {  
    5.   
    6.         Object[] elements = getArray();  
    7.   
    8.         int len = elements.length;  
    9.   
    10.         // 复制出新数组  
    11.         Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);  
    12.   
    13.         // 把新元素添加到新数组里  
    14.         newElements[len] = e;  
    15.   
    16.         // 把原数组引用指向新数组  
    17.         setArray(newElements);  
    18.   
    19.         return true;  
    20.   
    21.     } finally {  
    22.         lock.unlock();  
    23.     }  
    24. }  
    25.   
    26.   
    27. final void setArray(Object[] a) {  
    28.   
    29.     array = a;  
    30.   
    31. }  

    读的时候不需要加锁，如果读的时候有多个线程正在向ArrayList添加数据，读还是会读到旧的数据，因为写的时候不会锁住旧的ArrayList。

    Java代码  收藏代码
    1. public E get(int index) {  
    2.     return get(getArray(), index);  
    3. }  

    JDK中并没有提供CopyOnWriteMap，我们可以参考CopyOnWriteArrayList来实现一个，基本代码如下：

    Java代码  收藏代码
    1. import java.util.Collection;  
    2. import java.util.Map;  
    3. import java.util.Set;  
    4.    
    5. public class CopyOnWriteMap<K, V> implements Map<K, V>, Cloneable {  
    6.     private volatile Map<K, V> internalMap;  
    7.    
    8.     public CopyOnWriteMap() {  
    9.         internalMap = new HashMap<K, V>();  
    10.     }  
    11.    
    12.     public V put(K key, V value) {  
    13.    
    14.         synchronized (this) {  
    15.             Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);  
    16.             V val = newMap.put(key, value);  
    17.             internalMap = newMap;  
    18.             return val;  
    19.         }  
    20.     }  
    21.    
    22.     public V get(Object key) {  
    23.         return internalMap.get(key);  
    24.     }  
    25.    
    26.     public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> newData) {  
    27.         synchronized (this) {  
    28.             Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);  
    29.             newMap.putAll(newData);  
    30.             internalMap = newMap;  
    31.         }  
    32.     }  
    33. }  

    CopyOnWrite的应用场景

           CopyOnWrite并发容器用于读多写少的并发场景。比如白名单，黑名单，商品类目的访问和更新场景，假如我们有一个搜索网站，用户在这个网站的搜索框中，输入关键字搜索内容，但是某些关键字不允许被搜索。这些不能被搜索的关键字会被放在一个黑名单当中，黑名单每天晚上更新一次。当用户搜索时，会检查当前关键字在不在黑名单当中，如果在，则提示不能搜索。实现代码如下：

    Java代码  收藏代码
    1. package com.ifeve.book;  
    2.    
    3. import java.util.Map;  
    4. import com.ifeve.book.forkjoin.CopyOnWriteMap;  
    5.   
    6. /** 
    7.  * 黑名单服务 
    8.  * 
    9.  * @author fangtengfei 
    10.  * 
    11.  */  
    12. public class BlackListServiceImpl {  
    13.    
    14.     private static CopyOnWriteMap<String, Boolean> blackListMap = new CopyOnWriteMap<String, Boolean>(  
    15.             1000);  
    16.    
    17.     public static boolean isBlackList(String id) {  
    18.         return blackListMap.get(id) == null ? false : true;  
    19.     }  
    20.    
    21.     public static void addBlackList(String id) {  
    22.         blackListMap.put(id, Boolean.TRUE);  
    23.     }  
    24.    
    25.     /** 
    26.      * 批量添加黑名单 
    27.      * 
    28.      * @param ids 
    29.      */  
    30.     public static void addBlackList(Map<String,Boolean> ids) {  
    31.         blackListMap.putAll(ids);  
    32.     }  
    33. }  

     

    注意两点：

    • 减少扩容开销。根据实际需要，初始化CopyOnWriteMap的大小，避免写时CopyOnWriteMap扩容的开销。
    • 使用批量添加。因为每次添加，容器每次都会进行复制，所以减少添加次数，可以减少容器的复制次数。如使用上面代码里的addBlackList方法。

    CopyOnWrite的缺点

    内存占用问题

    因为CopyOnWrite的写时复制机制，所以在进行写操作的时候，内存里会同时驻扎两个对象的内存，旧的对象和新写入的对象（注意:在复制的时候只是复制容器里的引用，只是在写的时候会创建新对象添加到新容器里，而旧容器的对象还在使用，所以有两份对象内存）。如果这些对象占用的内存比较大，比如说200M左右，那么再写入100M数据进去，内存就会占用300M，那么这个时候很有可能造成频繁的Yong GC和Full GC。之前我们系统中使用了一个服务由于每晚使用CopyOnWrite机制更新大对象，造成了每晚15秒的Full GC，应用响应时间也随之变长。

    针对内存占用问题，可以通过压缩容器中的元素的方法来减少大对象的内存消耗，比如，如果元素全是10进制的数字，可以考虑把它压缩成36进制或64进制。或者不使用CopyOnWrite容器，而使用其他的并发容器，如ConcurrentHashMap。

    数据一致性问题

    CopyOnWrite容器只能保证数据的最终一致性，不能保证数据的实时一致性。所以如果你希望写入的的数据，马上能读到，请不要使用CopyOnWrite容器。
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