Java多线程：同步集合与同步锁
同步集合
同步集合在多线程开发中扮演非常重要的角色，本文介绍些常用但被忽略的同步集合。
CopyOnWriteArrayList
Copy-On-Write是一种用于程序设计中的优化策略，基本思路是多个线程共享同一个列表，当某个线程想要修改这个列表的元素时会把列表中的元素Copy一份，然后进行修改，修改完后再讲新的元素设置给这个列表，是一种延时懒惰策略。好处是可以对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、移除任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一种读写分离的思想，读和写不同的容器。使用Copy-On-Write机制实现的并发容器有两个分别是：CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。
下面来分析下CopyOnWriteArrayList的核心源码，首先看下add方法：
public boolean add(E e) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
newElements[len] = e;
setArray(newElements);
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}
可以看到在添加的时候进行了加锁操作，否则多线程写的时候会Copy出N个副本出来。复制一份之后将新的元素设置到元素数组的len位置，然后再把最新的元素设置给该列表。
get方法：
public E get(int index) {
return get(getArray(), index);
}
读不需要加锁，如果读的时候多个线程正在向容器内添加数据，还是会读到旧数据，因为写的时候不会锁住旧的元素数组。
这种写时拷贝的原理优点是读写分离，并发场景下操作效率会提高，缺点是写操作时占用的内存空间翻了一倍，因此是以空间换时间。
ConcurrentHashMap
HashTable是HashMap的线程安全实现，但是HashTable使用synchronized来保证线程安全，这就会导致它的效率非常低下，因为当线程1使用put添加元素，线程2不但不能使用put添加元素，同时也不能使用get获取元素，竞争越激烈效率越低。
因此替代HashTable的ConcurrentHashMap就出现了，ConcurrentHashMap的优点在于容器里有多把锁，每一把锁用于锁容器其中一部分数据，当多线程访问容器里不同数据段的数据时，线程间就不会存在锁竞争，从而可以有效的提高并发访问效率。它的原理是将数据分成一段一段的存储，然后给每一段数据配一把锁，当一个线程占用锁访问其中一个段数据时，其他段的数据也能被其他线程访问。有些方法需要跨段，如size()和containsValue()，他们可能需要锁定整个表而不仅是某个段，这需要按顺序锁定所有段，操作完毕后又按顺序释放所有段的锁。
BlockingQueue
阻塞队列是生产者-消费者的一个实现，当队列满了时，再次调用put函数添加元素，那么调用线程将会阻塞，直到队列不再是填满状态。避免了手动判断以及同步操作。
| 函数名 | 作用 |
|---|---|
| add(e) | 把元素e添加到BlockingQueue里,如果BlockingQueue可以容纳,则返回true,否则抛异常 |
| offer(e) | 把元素e添加到BlockingQueue里,如果BlockingQueue可以容纳,则返回true,否则返回false |
| offer(e,time,unit) | 把元素e添加到BlockingQueue里,如果BlockingQueue可以容纳,则返回true,否则在等待指定的时间之后继续尝试添加,如果失败则返回false |
| put(e) | 把元素e添加到BlockingQueue里,如果BlockingQueue不能容纳,则调用此方法的线程被阻塞直到BlockingQueue里面有空间再继续添加 |
| take() | 取走BlockingQueue里排在队首的对象,若BlockingQueue为空,则进入等待状态直到BlockingQueue有新的对象被加入为止 |
| poll(time,unit) | 取出并移除队列中的队首元素,如果设定的阻塞时间内还没有获得数据,那么返回null |
| element() | 获取队首元素,如果队列为空,那么抛出NoSuchElementException异常 |
| peek() | 获取队首元素,如果队列为空,那么返回null |
| remove() | 获取并移除队首元素,如果队列为空,那么抛出NoSuchElementException异常 |
BlockingQueue多种常用实现:
- ArrayBlockingQueue 数组实现的、线程安全的、有界的阻塞队列
按FIFO（先进先出）原则对元素进行排序，元素从尾部插入到队列，从头部开始返回。 - LinkedBlockingQueue 单向链表实现的队列
按FIFO（先进先出）原则对元素进行排序，元素从尾部插入到队列，从头部开始返回。吞吐量高于ArrayBlockingQueue，但是在大多数并发应用程序中其可预知的性能要低,功能类似的有ConcurrentLinkedQueue - LinkedBlockingDeque 双向链表实现的双向并发阻塞队列
同时支持FIFO和FILO，即可以从队列的头和尾同时操作（插入/删除），支持线程安全。可以指定队列容量（默认容量大小等于Integer.MAX_VALUE）