Java中的并发集合类

在Java类库中出现的第一个关联的集合类是Hashtable，它是JDK1.0的一部分。Hashtable提供了一种易于使用的、线程安全的、关联的map功能，这当然也是方便的。然而，线程安全性是凭代价换来的――Hashtable的所有方法都是同步的。此时，无竞争的同步会导致可观的性能代价。Hashtable的后继者HashMap是作为JDK1.2中的集合框架的一部分出现的，它通过提供一个不同步的基类和一个同步的包装器Collections.synchronizedMap，解决了线程安全性问题。通过将基本的功能从线程安全性中分离开来，Collections.synchronizedMap允许需要同步的用户可以拥有同步，而不需要同步的用户则不必为同步付出代价。

Hashtable和synchronizedMap所采取的获得同步的简单方法（同步Hashtable中或者同步的Map包装器对象中的每个方法）有两个主要的不足。首先，这种方法对于可伸缩性是一种障碍，因为一次只能有一个线程可以访问hash表。同时，这样仍不足以提供真正的线程安全性，许多公用的混合操作仍然需要额外的同步。虽然诸如get()和put()之类的简单操作可以在不需要额外同步的情况下安全地完成，但还是有一些公用的操作序列，例如迭代或者put-if-absent（空则放入），需要外部的同步，以避免数据争用。

 

ConcurrentHashMap

util.concurrent包中的ConcurrentHashMap类（也将出现在JDK1.5中的java.util.concurrent包中）是对Map的线程安全的实现，比起synchronizedMap来，它提供了好得多的并发性。多个读操作几乎总可以并发地执行，同时进行的读和写操作通常也能并发地执行，而同时进行的写操作仍然可以不时地并发进行（相关的类也提供了类似的多个读线程的并发性，但是，只允许有一个活动的写线程）。ConcurrentHashMap被设计用来优化检索操作；实际上，成功的get()操作完成之后通常根本不会有锁着的资源。要在不使用锁的情况下取得线程安全性需要一定的技巧性，并且需要对Java内存模型（JavaMemoryModel）的细节有深入的理解。ConcurrentHashMap实现，加上util.concurrent包的其他部分，已经被研究正确性和线程安全性的并发专家所正视。在下个月的文章中，我们将看看ConcurrentHashMap的实现的细节。

ConcurrentHashMap通过稍微地松弛它对调用者的承诺而获得了更高的并发性。检索操作将可以返回由最近完成的插入操作所插入的值，也可以返回在步调上是并发的插入操作所添加的值（但是决不会返回一个没有意义的结果）。由ConcurrentHashMap.iterator()返回的Iterators将每次最多返回一个元素，并且决不会抛出ConcurrentModificationException异常，但是可能会也可能不会反映在该迭代器被构建之后发生的插入操作或者移除操作。在对集合进行迭代时，不需要表范围的锁就能提供线程安全性。在任何不依赖于锁整个表来防止更新的应用程序中，可以使用ConcurrentHashMap来替代synchronizedMap或Hashtable。

上述改进使得ConcurrentHashMap能够提供比Hashtable高得多的可伸缩性，而且，对于很多类型的公用案例（比如共享的cache）来说，还不用损失其效率。

 

CopyOnWriteArrayList

在那些遍历操作大大地多于插入或移除操作的并发应用程序中，一般用CopyOnWriteArrayList类替代ArrayList。如果是用于存放一个侦听器（listener）列表，例如在AWT或Swing应用程序中，或者在常见的JavaBean中，那么这种情况很常见（相关的CopyOnWriteArraySet使用一个CopyOnWriteArrayList来实现Set接口）。

如果您正在使用一个普通的ArrayList来存放一个侦听器列表，那么只要该列表是可变的，而且可能要被多个线程访问，您就必须要么在对其进行迭代操作期间，要么在迭代前进行的克隆操作期间，锁定整个列表，这两种做法的开销都很大。当对列表执行会引起列表发生变化的操作时，CopyOnWriteArrayList并不是为列表创建一个全新的副本，它的迭代器肯定能够返回在迭代器被创建时列表的状态，而不会抛出ConcurrentModificationException。在对列表进行迭代之前不必克隆列表或者在迭代期间锁定列表，因为迭代器所看到的列表的副本是不变的。换句话说，CopyOnWriteArrayList含有对一个不可变数组的一个可变的引用，因此，只要保留好那个引用，您就可以获得不可变的线程安全性的好处，而且不用锁定列表。

 

同步的集合类Hashtable和Vector，以及同步的包装器类Collections.synchronizedMap和Collections.synchronizedList，为Map和List提供了基本的有条件的线程安全的实现。然而，某些因素使得它们并不适用于具有高度并发性的应用程序中――它们的集合范围的单锁特性对于可伸缩性来说是一个障碍，而且，很多时候还必须在一段较长的时间内锁定一个集合，以防止出现ConcurrentModificationExceptions异常。ConcurrentHashMap和CopyOnWriteArrayList实现提供了更高的并发性，同时还保住了线程安全性，只不过在对其调用者的承诺上打了点折扣。ConcurrentHashMap和CopyOnWriteArrayList并不是在您使用HashMap或ArrayList的任何地方都一定有用，但是它们是设计用来优化某些特定的公用解决方案的。许多并发应用程序将从对它们的使用中获得好处。