Java 中的线程安全集合

线程安全（Thread-safe）是指一个程序或数据结构，能够保证多个线程在访问和修改数据时不会导致不正确的结果。简单来说，一个线程安全的集合是多个线程可以访问或修改而不会出现数据损坏等问题。

线程安全集合的重要性

在多线程应用程序中，不同的线程通常需要访问和修改相同的数据。如果没有线程安全的集合，可能会出现以下问题：

1. 数据损坏： 如果两个线程试图同时更改一个集合而没有得到妥善处理，它们可能会干扰彼此的更改，导致数据不正确。
2. 竞态条件（Race Conditions）： 当程序的运行结果取决于线程执行的顺序时，就会发生竞态条件。如果线程没有得到妥善同步，一个线程可能会覆盖另一个线程所做的更改，或者错过重要的更新，从而导致错误或意外的结果。
3. 性能问题： 没有线程安全的集合，开发人员需要使用锁来手动控制对共享资源的访问。管理这些锁会花费额外的时间，从而降低程序速度。线程安全的集合会自动处理这些问题，从而提高效率和性能。
4. 死锁（Deadlocks）： 当两个或两个以上的线程互相等待对方释放资源，导致程序卡死时，就会发生死锁。线程安全的集合通过确保线程在访问数据时不会互相阻塞，从而降低死锁的发生几率。

线程安全集合的类型

Java 提供了几种使用线程安全集合的方法。

Vector

这个类是 Java 中最古老的线程安全集合之一。它被同步了，并且工作方式类似于 ArrayList，这意味着一次只有一个线程可以访问它。虽然它确保了线程安全，但由于管理每次操作的同步需要额外的工作，因此速度可能较慢。

语法

Stack

Stack 是 Vector 的一个子类，用于实现后进先出（LIFO）栈。与 Vector 类似，Stack 也被同步了，这意味着它是线程安全的。然而，它现在已不常用，对于大多数涉及堆栈行为的用例，Deque 接口（特别是 ArrayDeque）是推荐的。

ConcurrentHashMap

它是 Map 接口的线程安全实现。与 Hashtable 不同，Hashtable 每次都对整个 Map 进行同步，而 ConcurrentHashMap 只同步 Map 的一小部分，因此当多个线程使用它时，它的工作速度更快。

语法

访问或修改 Map 时，我们不需要进行同步。

BlockingQueue

BlockingQueue 是一种特殊的线程安全队列，用于生产者-消费者问题。它处理所有同步，并为多个线程之间传递数据提供了一种线程安全的方式。当队列已满或为空时，put() 和 take() 等方法会自动等待。

语法

Synchronized Collections

Java 早期使集合线程安全的方法是使用 Collections 类中的特殊包装器方法，这些方法为常规的列表、集合和映射添加了同步。

语法

CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList 是 ArrayList 的另一个线程安全替代方案，最适合频繁读取但偶尔修改的列表。每次添加或删除都会创建一个列表的全新副本。可以安全地进行迭代，而无需外部同步。

语法

注意：由于复制的开销，不适合频繁写操作。

输出

Map Contents:
Key: 1, Value: Thread-1
Key: 2, Value: Thread-2
Key: 3, Value: Thread-3
Key: 4, Value: Thread-4
Key: 5, Value: Thread-5
-Action Log-
Thread-1 added data
Thread-5 added data
Thread-3 added data
Thread-2 added data
Thread-4 added data 

解释

上面的 Java 程序使用了 ConcurrentHashMap 和 CopyOnWriteArrayList 这两个类。这些集合类旨在允许多个线程同时读写数据而不会导致数据错误。在该程序中，ConcurrentHashMap 用于存储键值对，每个线程都会添加其条目。

CopyOnWriteArrayList 用于维护线程执行操作的日志。在 main 方法中，一个循环创建了五个线程。每个线程生成一个字符串，例如“Thread-1”，并将其添加到 Map 和日志中。由于 Map 和 List 都是线程安全的，因此所有线程都可以同时访问和修改它们，而无需使用同步块或额外的锁定。

启动所有线程后，程序会使用 Thread.sleep(1000) 短暂等待，以确保所有线程都完成任务。然后，它会打印出 Java 内置的并发集合如何通过自动处理同步来使多线程编程更轻松、更安全。

线程安全集合的优点

1. 防止数据损坏： 当多个线程访问或修改共享数据时，线程安全性确保数据保持准确和一致，防止竞态条件或意外行为。
2. 无需手动同步： 使用线程安全的集合（如 ConcurrentHashMap 或 CopyOnWriteArrayList）可以减少编写同步块的需要，使代码更简洁易于管理。

线程安全集合的缺点

1. 性能较慢： 线程安全的集合通常使用锁定或同步机制，这可能会降低性能，尤其是在许多线程试图同时访问资源时。
2. 增加复杂性： 手动编写线程安全代码（使用 synchronized、wait、notify 等）可能比单线程代码更复杂，更难理解或调试。

结论

当许多线程处理相同数据时，Java 中的线程安全集合非常有用。它们确保数据保持正确，并防止数据混淆或丢失等问题。这些集合处理了所有的安全工作，因此我们无需编写额外的代码来管理它。尽管它们可能速度稍慢，但它们使我们的程序在多线程环境下更可靠、更容易构建。

线程安全集合选择题

1. Java 中哪种集合最适合处理生产者-消费者场景？

1. ArrayList
2. BlockingQueue
3. TreeSet
4. HashMap

2. ConcurrentHashMap 比 Hashtable 快的原因是什么？

1. 它存储的元素更少
2. 它避免了锁定
3. 它使用分段级别锁定
4. 它不是线程安全的

3. 将新项目插入 CopyOnWriteArrayList 时，内部是如何管理的？

1. 项目被简单地添加到现有列表中
2. 创建了包含该项目的新版本列表
3. 在更新期间列表会被暂停
4. 更新会延迟到所有读取完成

4. 如何使 ArrayList 在 Java 中具有线程安全性？

1. 使用 ThreadSafeList.newList()
2. 使用 Collections.synchronizedList()
3. 调用 ArrayList.lock()
4. 将其转换为 HashMap

5. 使用线程安全集合的一个常见缺点是什么？

1. 它们在 Java 8 中无法运行
2. 它们需要特殊的计算机才能工作
3. 它们的性能可能比普通集合慢
4. 它们不允许重复值