Java 并發(fā)包有很大一部分內(nèi)容都是關(guān)于并發(fā)容器的，因此學(xué)習(xí)和搞懂這部分的內(nèi)容很有必要。

Java 1.5 之前提供的同步容器雖然也能保證線程安全，但是性能很差，而 Java 1.5 版本之后提供的并發(fā)容器在性能方面則做了很多優(yōu)化，并且容器的類型也更加豐富了。下面我們就對(duì)比二者來(lái)學(xué)習(xí)這部分的內(nèi)容。

同步容器及其注意事項(xiàng)

Java 中的容器主要可以分為四個(gè)大類，分別是 List、Map、Set 和 Queue，但并不是所有的 Java 容器都是線程安全的。例如，我們常用的 ArrayList、HashMap 就不是線程安全的。在介紹線程安全的容器之前，我們先思考這樣一個(gè)問(wèn)題：如何將非線程安全的容器變成線程安全的容器？

在前面《12 | 如何用面向?qū)ο笏枷雽?xiě)好并發(fā)程序？》我們講過(guò)實(shí)現(xiàn)思路其實(shí)很簡(jiǎn)單，只要把非線程安全的容器封裝在對(duì)象內(nèi)部，然后控制好訪問(wèn)路徑就可以了。

我們?cè)?jīng)多次強(qiáng)調(diào)，組合操作需要注意競(jìng)態(tài)條件問(wèn)題，例如上面提到的 addIfNotExist() 方法就包含組合操作。組合操作往往隱藏著競(jìng)態(tài)條件問(wèn)題，即便每個(gè)操作都能保證原子性，也并不能保證組合操作的原子性，這個(gè)一定要注意。

在容器領(lǐng)域一個(gè)容易被忽視的“坑”是用迭代器遍歷容器，例如在下面的代碼中，通過(guò)迭代器遍歷容器 list，對(duì)每個(gè)元素調(diào)用 foo() 方法，這就存在并發(fā)問(wèn)題，這些組合的操作不具備原子性。

List list = Collections.
  synchronizedList(new ArrayList());
Iterator i = list.iterator(); 
while (i.hasNext())
  foo(i.next());

而正確做法是下面這樣，鎖住 list 之后再執(zhí)行遍歷操作。如果你查看 Collections 內(nèi)部的包裝類源碼，你會(huì)發(fā)現(xiàn)包裝類的公共方法鎖的是對(duì)象的 this，其實(shí)就是我們這里的 list，所以鎖住 list 絕對(duì)是線程安全的。

List list = Collections.
  synchronizedList(new ArrayList());
synchronized (list) {  
  Iterator i = list.iterator(); 
  while (i.hasNext())
    foo(i.next());
}    

上面我們提到的這些經(jīng)過(guò)包裝后線程安全容器，都是基于 synchronized 這個(gè)同步關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)的，所以也被稱為同步容器。Java 提供的同步容器還有 Vector、Stack 和 Hashtable，這三個(gè)容器不是基于包裝類實(shí)現(xiàn)的，但同樣是基于 synchronized 實(shí)現(xiàn)的，對(duì)這三個(gè)容器的遍歷，同樣要加鎖保證互斥。

并發(fā)容器及其注意事項(xiàng)

Java 在 1.5 版本之前所謂的線程安全的容器，主要指的就是同步容器。不過(guò)同步容器有個(gè)最大的問(wèn)題，那就是性能差，所有方法都用 synchronized 來(lái)保證互斥，串行度太高了。因此 Java 在 1.5 及之后版本提供了性能更高的容器，我們一般稱為并發(fā)容器。

并發(fā)容器雖然數(shù)量非常多，但依然是前面我們提到的四大類：List、Map、Set 和 Queue，下面的并發(fā)容器關(guān)系圖，基本上把我們經(jīng)常用的容器都覆蓋到了。

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鑒于并發(fā)容器的數(shù)量太多，再加上篇幅限制，所以我并不會(huì)一一詳細(xì)介紹它們的用法，只是把關(guān)鍵點(diǎn)介紹一下。

（一）List

List 里面只有一個(gè)實(shí)現(xiàn)類就是 CopyOnWriteArrayList。CopyOnWrite，顧名思義就是寫(xiě)的時(shí)候會(huì)將共享變量新復(fù)制一份出來(lái)，這樣做的好處是讀操作完全無(wú)鎖。

那 CopyOnWriteArrayList 的實(shí)現(xiàn)原理是怎樣的呢？下面我們就來(lái)簡(jiǎn)單介紹一下

CopyOnWriteArrayList 內(nèi)部維護(hù)了一個(gè)數(shù)組，成員變量 array 就指向這個(gè)內(nèi)部數(shù)組，所有的讀操作都是基于 array 進(jìn)行的，如下圖所示，迭代器 Iterator 遍歷的就是 array 數(shù)組。

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如果在遍歷 array 的同時(shí)，還有一個(gè)寫(xiě)操作，例如增加元素，CopyOnWriteArrayList 是如何處理的呢？CopyOnWriteArrayList 會(huì)將 array 復(fù)制一份，然后在新復(fù)制處理的數(shù)組上執(zhí)行增加元素的操作，執(zhí)行完之后再將 array 指向這個(gè)新的數(shù)組。通過(guò)下圖你可以看到，讀寫(xiě)是可以并行的，遍歷操作一直都是基于原 array 執(zhí)行，而寫(xiě)操作則是基于新 array 進(jìn)行。

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使用 CopyOnWriteArrayList 需要注意的“坑”主要有兩個(gè)方面。一個(gè)是應(yīng)用場(chǎng)景，CopyOnWriteArrayList 僅適用于寫(xiě)操作非常少的場(chǎng)景，而且能夠容忍讀寫(xiě)的短暫不一致。例如上面的例子中，寫(xiě)入的新元素并不能立刻被遍歷到。另一個(gè)需要注意的是，CopyOnWriteArrayList 迭代器是只讀的，不支持增刪改。因?yàn)榈鞅闅v的僅僅是一個(gè)快照，而對(duì)快照進(jìn)行增刪改是沒(méi)有意義的。

（二）Map

Map 接口的兩個(gè)實(shí)現(xiàn)是 ConcurrentHashMap 和 ConcurrentSkipListMap，它們從應(yīng)用的角度來(lái)看，主要區(qū)別在于 ConcurrentHashMap 的 key 是無(wú)序的，而 ConcurrentSkipListMap 的 key 是有序的。所以如果你需要保證 key 的順序，就只能使用 ConcurrentSkipListMap。

使用 ConcurrentHashMap 和 ConcurrentSkipListMap 需要注意的地方是，它們的 key 和 value 都不能為空，否則會(huì)拋出NullPointerException這個(gè)運(yùn)行時(shí)異常。下面這個(gè)表格總結(jié)了 Map 相關(guān)的實(shí)現(xiàn)類對(duì)于 key 和 value 的要求，你可以對(duì)比學(xué)習(xí)。

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ConcurrentSkipListMap 里面的 SkipList 本身就是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，中文一般都翻譯為“跳表”。跳表插入、刪除、查詢操作平均的時(shí)間復(fù)雜度是 O(log n)，理論上和并發(fā)線程數(shù)沒(méi)有關(guān)系，所以在并發(fā)度非常高的情況下，若你對(duì) ConcurrentHashMap 的性能還不滿意，可以嘗試一下 ConcurrentSkipListMap。

（三）Set

Set 接口的兩個(gè)實(shí)現(xiàn)是 CopyOnWriteArraySet 和 ConcurrentSkipListSet，使用場(chǎng)景可以參考前面講述的 CopyOnWriteArrayList 和 ConcurrentSkipListMap，它們的原理都是一樣的，這里就不再贅述了。

（四）Queue

Java 并發(fā)包里面 Queue 這類并發(fā)容器是最復(fù)雜的，你可以從以下兩個(gè)維度來(lái)分類。一個(gè)維度是阻塞與非阻塞，所謂阻塞指的是當(dāng)隊(duì)列已滿時(shí)，入隊(duì)操作阻塞；當(dāng)隊(duì)列已空時(shí)，出隊(duì)操作阻塞。另一個(gè)維度是單端與雙端，單端指的是只能隊(duì)尾入隊(duì)，隊(duì)首出隊(duì)；而雙端指的是隊(duì)首隊(duì)尾皆可入隊(duì)出隊(duì)。Java 并發(fā)包里阻塞隊(duì)列都用 Blocking 關(guān)鍵字標(biāo)識(shí)，單端隊(duì)列使用 Queue 標(biāo)識(shí)，雙端隊(duì)列使用 Deque 標(biāo)識(shí)。

這兩個(gè)維度組合后，可以將 Queue 細(xì)分為四大類，分別是：

1.單端阻塞隊(duì)列：其實(shí)現(xiàn)有 ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、SynchronousQueue、LinkedTransferQueue、PriorityBlockingQueue 和 DelayQueue。內(nèi)部一般會(huì)持有一個(gè)隊(duì)列，這個(gè)隊(duì)列可以是數(shù)組（其實(shí)現(xiàn)是 ArrayBlockingQueue）也可以是鏈表（其實(shí)現(xiàn)是 LinkedBlockingQueue）；甚至還可以不持有隊(duì)列（其實(shí)現(xiàn)是 SynchronousQueue），此時(shí)生產(chǎn)者線程的入隊(duì)操作必須等待消費(fèi)者線程的出隊(duì)操作。而 LinkedTransferQueue 融合 LinkedBlockingQueue 和 SynchronousQueue 的功能，性能比 LinkedBlockingQueue 更好；PriorityBlockingQueue 支持按照優(yōu)先級(jí)出隊(duì)；DelayQueue 支持延時(shí)出隊(duì)。

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2.雙端阻塞隊(duì)列：其實(shí)現(xiàn)是 LinkedBlockingDeque。

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3.單端非阻塞隊(duì)列：其實(shí)現(xiàn)是 ConcurrentLinkedQueue。

4.雙端非阻塞隊(duì)列：其實(shí)現(xiàn)是 ConcurrentLinkedDeque。

另外，使用隊(duì)列時(shí)，需要格外注意隊(duì)列是否支持有界（所謂有界指的是內(nèi)部的隊(duì)列是否有容量限制）。實(shí)際工作中，一般都不建議使用無(wú)界的隊(duì)列，因?yàn)閿?shù)據(jù)量大了之后很容易導(dǎo)致 OOM。上面我們提到的這些 Queue 中，只有 ArrayBlockingQueue 和 LinkedBlockingQueue 是支持有界的，所以在使用其他無(wú)界隊(duì)列時(shí)，一定要充分考慮是否存在導(dǎo)致 OOM 的隱患。

總結(jié)

Java 并發(fā)容器的內(nèi)容很多，但鑒于篇幅有限，我們只是對(duì)一些關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了梳理和介紹。

而在實(shí)際工作中，你不單要清楚每種容器的特性，還要能選對(duì)容器，這才是關(guān)鍵，至于每種容器的用法，用的時(shí)候看一下 API 說(shuō)明就可以了，這些容器的使用都不難。在文中，我們甚至都沒(méi)有介紹 Java 容器的快速失敗機(jī)制（Fail-Fast），原因就在于當(dāng)你選對(duì)容器的時(shí)候，根本不會(huì)觸發(fā)它。