Java并发编程 并发容器

本文整理自《Java并发编程实战》一书。

Java5.0 提供了多种并发容器类来改进同步容器的性能。同步容器将所有对容器状态的访问都串行化，以实现他们的线程安全性。这种方法的代价是严重降低并发性，当多个线程竞争容器的锁时，吞吐量将严重降低。

 

另一方面，并发容器是针对多个线程并发访问设计的。在Java5.0中增加了ConcurrentHashMap，用来替代同步且基于散列的Map，以及CopyOnWriteArrayList，用于在遍历操作为主要操作的情况下代替同步的List。在新的ConcurrentMap接口中增加了对一些常见复合操作的支持，例如“若没有则添加putIfAbsent”、“替换replace”以及“有条件删除remove”等。

 

通过并发容器来代替同步容器，可以极大地提高伸缩性并降低风险。

 

Java5.0增加了两种新的容器类型：Queue和BlockingQueue。Queue用来临时保存一组等待处理的元素。它提供了几种实现，包括：ConcurrentLinkedQueue，这是一个传统的先进先出FIFO队列，以及PriorityQueue，这是一个（非并发的）优先队列。BlockingQueue扩展了Queue，增加了可阻塞的插入put 和获取take 等操作，如果队列为空，那么获取元素的操作会一直阻塞，直到队列中出现一个可用的元素。如果队列已满（对于有界队列来说），那么插入元素的操作将一直阻塞，直到队列中出现可用的空间。在“生产者-消费者”这种设计模式中，阻塞队列是非常有用的。

 

正如ConcurrentHashMap用于代替基于散列的同步Map，Java6也引进了ConcurrentSkipListMap和ConcurrentSkipListSet，分别作为同步的SortedMap和SortedSet的并发替代品（例如用synchronizedMap包装的TreeMap或TreeSet）。

 

同步容器类在执行每个操作期间都持有同一个锁，在一些操作，如HashMap.get 和 List.contains，当遍历散列桶或者链表来查找某个特定对象时，必须在许多元素上调用equals（而equals本身还包含一定的计算量），此时，其他线程在这段时间内都不能并发访问该容器。ConcurrentHashMap也是一个基于散列的Map，但它使用了完全不同的加锁策略来提供更高的并发性和伸缩性，这种加锁称为分段锁Lock Striping，这种机制中，任意数量的读取线程可以并发地访问Map，执行读取操作的线程和执行写入操作的线程可以并发地访问Map，并且一定数量的写入线程可以并发地修改Map。

ConcurrentHashMap与其他并发容器一起增强了同步容器类：它们提供的迭代器不会抛出ConcurrentModificationException，因此不需要在迭代过程中对容器加锁。ConcurrentHashMap返回的迭代器具有弱一致性（Weakly Consistent），而并非“及时失败”。

 

尽管有这些改进，但仍然有一些需要权衡的因素。对于一些需要在整个Map上进行的计算方法，如size和isEmpty，这些方法的语义被略微减弱以反映容器的并发特性。允许size返回一个近似值而不是一个精确值，这看上去令人不安，但事实上size和isEmpty这样的方法在并发环境下用处很小，因为它们的返回值总在不断变化。因此，这些操作的需求都被弱化了，以换取对其他更重要操作的性能优化，包括get、put、containsKey和remove等。

 

与Hashtable和synchronizedMap相比，ConcurrentHashMap有着更多的优势以及更少的劣势，因此在大多数情况下，用ConcurrentHashMap来替代同步Map能进一步提高代码的可伸缩性。只有当应用程序需要加锁Map以进行独占访问时，才应该放弃使用ConcurrentHashMap。

ConcurrentMap接口提供了额外的原子Map操作：putIfAbsent、remove、replace、overload replace。CopyOnWriteArrayList、CopyOnWriteArraySet等 “写入时复制（Copy-On-Write）”容器，多个线程可以同时对这个容器进行迭代，而不会彼此干扰或者与修改容器的线程相互干扰，且“写入时复制”容器返回的迭代器不会抛出ConcurrentModificationException。