集合框架的对比以及集合的线程安全化

1.集合和集合框架

其实是我自己有些整不明白的，通常集合指的是Collaction接口下的接口或者实现类

集合框架目前我的印象中指的是Collaction接口下和Map接口下的接口和实现类

2.Collection：

　　1）：List接口下：

　　　　①：ArrayList：动态数组

　　　　②：LinkedList：链表

　　　　③：Vector：动态数组

　　　　④：相同点和区别：

　　　　　　ArrayList和Vector：同：动态数组

　　　　　　　　　　　　　　　　　继承自AbstractList抽象类

　　　　　　　　　　　　　　　　　实现了List（List集合接口），RandomAccess（实现随机访问），Cloneable（克隆接口），　Serializable（序列化）接口

　　　　　　　　　　　　　　　异：Vector的方法都是是线程安全的，

　　　　　　　　　　　　　　　　　ArrayList不是，由于线程的同步必然要影响性能，因此,ArrayList的性能比Vector好。

　　　　　　　　　　　　　　　　　LinkedList的方法跟ArrayList一样，也不是线程安全的

　　　　　　ArrayList和LinkedList：同：实现了List，Cloneable，Serializable接口

　　　　　　　　　　　　　　　　　　 都不是线程安全的

　　　　　　　　　　　　　　　　  异：ArrayList是动态数组，继承自AbstractList抽象类，实现了RandomAccess接口，可以进行随机访问，查找操作循序，增删操作慢

　　　　　　　　　　　　　　　　　　 LinkedList是链表，继承自AbstrackSequentialList抽象类，实现了Deque接口，只能顺序访问，查找操作慢，增删操作快

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ps：注意增删过程和增删操作：增删整个过程中，由于需要先查找再增删，所以在整个过程中时间复杂度是一样的

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（关于时间复杂度后续有时间会写一点，

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　现在简单来讲就是：数组查询时间复杂度为O(1)，复制(增删过程)时间复杂度为O(n)；

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　链表查询时间复杂度为O(n)，增删过程时间复杂度为O(1)）

　　2）Set接口下：

　　　　HashSet：底层是HashMap，继承自AbstractSet抽象类，实现了Set，Cloneable，serializable接口

　　　　EntrySet：常见于HashMap，开发者无法new，继承自AbstractSet抽象类，常用作便利HashMap的键值对

　　3）List接口下的集合和Set接口下的集合的区别：List下的集合是有序可重复集合，Set下的集合是无序不可重复集合

3.Map：链表和数组的结合体

　　1）HashMap：数组方式存储key，value构成的Entry对象（来自：https://blog.csdn.net/gldemo/article/details/44653787），

　　　　　　　　　　继承自AbstractMap抽象类，实现了Map，Cloneable，Serializable接口

　　2）Hashtable：继承自Dictionary抽象类，实现了Map，Cloneable，Serializable接口

　　3）相同点和区别：（继承的抽象类和实现接口不再赘述）

　　　　　HashMap：允许有一个key值为null和任意多个value值为null，是非线程安全的，遍历使用的是Iterator

　　　　　Hashtable：的key和value都不允许有null，而且是线程安全的，遍历使用的是Enumeration。

　　　　　HashMap的迭代器(Iterator)是fail-fast迭代器，而Hashtable的enumerator迭代器不是fail-fast的。

　　　　　　所以当有其它线程改变了HashMap的结构（增加或者移除元素），将会抛出ConcurrentModificationException，

　　　　　　但迭代器本身的remove()方法移除元素则不会抛出ConcurrentModificationException异常。

　　　　　　但这并不是一个一定发生的行为，要看JVM。这条同样也是Enumeration和Iterator的区别。

　　　　　　　　（关于迭代器未曾仔细学习，来自：https://blog.csdn.net/sinat_35821285/article/details/80225116）

　　4）和HashSet的比较：（继承的抽象类和实现接口不再赘述）

　　　　　　HashMap：存储键值对

　　　　　　HashSet：存储对象（可以认为是值）

　　5）TreeSet和TreeMap不常用，所以这两者的联系和区别不做描述，兴趣来了可以

　　　　　　参考：https://blog.csdn.net/sinat_35821285/article/details/80225116

　　　　　　　　　https://blog.csdn.net/gldemo/article/details/44653787

4.线程安全

　　1）工作原理：　　　　

　　　　①：jvm有一个main memory，而每个线程有自己的working memory（线程的工作区）

　　　　②：一个线程对一个variable（线程共享数据）进行操作时，都要在自己的working memory里面建立一个copy，操作完之后再写入main memory。

　　　　③：多个线程同时操作同一个variable，就可能会出现不可预知的结果。根据上面的解释，很容易想出相应的scenario。

　　　　④：而用synchronized的关键是建立一个monitor，这个monitor可以是要修改的variable也可以其他你认为合适的object

　　　　⑤：通过给这个monitor加锁来实现线程安全，每个线程在获得这个锁之后，要执行完load到working memory －> use&assign －> store到main memory的过程，

　　　　　　才会释放它得到的锁。这样就实现了所谓的线程安全。

　　2）简图：

 　　ps：以下内容来自：https://www.cnblogs.com/lzhdonald/archive/2020/07/17/13332727.html

 　　3）集合框架的线程安全：

线程不安全集合 线程安全集合
ArrayList Vector
LinkedList  
HashMap Hashtable
HashSet  
TreeMap  
TreeSet  

　　 4）解决方案：

　　　　① ArrayList：

      • 　　　　
      • 使用Vector（效率很低）；
      • 使用Collections集合工具类的static方法synchronizedList，将ArrayList的集合传入Collections.synchronizedList(List list)方法，使其成为线程安全的集合（原理未学习）：内部直接将接受的List对象传递给静态内部类SynchronizedList对象，然后Collections.synchronizedList(new ArrayList<>())返回的List对象的调用方法都是直接调用输入List对象的方法，但是加了synchronized，类似装饰器模式，也是对输入List的一种增强，源码如下： 
         1 static <T> List<T> synchronizedList(List<T> list, Object mutex) {
 2     return (list instanceof RandomAccess ?
 3             new SynchronizedRandomAccessList<>(list, mutex) :
 4             new SynchronizedList<>(list, mutex));
 5 }
 6  
 7 static class SynchronizedList<E>
 8     extends SynchronizedCollection<E>
 9     implements List<E> {
10     private static final long serialVersionUID = -7754090372962971524L;
11  
12     final List<E> list;
13  
14     SynchronizedList(List<E> list) {
15         super(list);
16         this.list = list;
17     }
18     SynchronizedList(List<E> list, Object mutex) {
19         super(list, mutex);
20         this.list = list;
21     }
22  
23     public boolean equals(Object o) {
24         if (this == o)
25             return true;
26         synchronized (mutex) {return list.equals(o);}
27     }
28     public int hashCode() {
29         synchronized (mutex) {return list.hashCode();}
30     }
31  
32     public E get(int index) {
33         synchronized (mutex) {return list.get(index);}
34     }
35     public E set(int index, E element) {
36         synchronized (mutex) {return list.set(index, element);}
37     }
38     public void add(int index, E element) {
39         synchronized (mutex) {list.add(index, element);}
40     }
41     public E remove(int index) {
42         synchronized (mutex) {return list.remove(index);}
43     }
44  
45     public int indexOf(Object o) {
46         synchronized (mutex) {return list.indexOf(o);}
47     }
48     public int lastIndexOf(Object o) {
49         synchronized (mutex) {return list.lastIndexOf(o);}
50     }
51  
52     public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
53         synchronized (mutex) {return list.addAll(index, c);}
54     }
55  
56     public ListIterator<E> listIterator() {
57         return list.listIterator(); // Must be manually synched by user
58     }
59  
60     public ListIterator<E> listIterator(int index) {
61         return list.listIterator(index); // Must be manually synched by user
62     }
63  
64     public List<E> subList(int fromIndex, int toIndex) {
65         synchronized (mutex) {
66             return new SynchronizedList<>(list.subList(fromIndex, toIndex),
67                                         mutex);
68         }
69     }
70  
71     @Override
72     public void replaceAll(UnaryOperator<E> operator) {
73         synchronized (mutex) {list.replaceAll(operator);}
74     }
75     @Override
76     public void sort(Comparator<? super E> c) {
77         synchronized (mutex) {list.sort(c);}
78     }
79  
80     private Object readResolve() {
81         return (list instanceof RandomAccess
82                 ? new SynchronizedRandomAccessList<>(list)
83                 : this);
84     }
85 }
        View Code 
      • 使用CopyOnWriteArrayList，读写分离的思想读写分离的思想，在并发读的时候不需要加锁，因为它能够保证并发读的情况下不会添加任何元素。而在并发写的情况下，需要先加锁，但是并不直接对当前容器进行写操作。而是先将当前容器进行复制获取一个新的容器，进行完并发写操作之后，当之前指向原容器的引用更改指向当前新容器。也就是说，并发读和并发写是针对不同集合，因此不会产生并发异常，源码如下： 
         1 // CopyOnWriteArrayList.java
 2 public boolean add(E e) {
 3     // 写操作加锁
 4     final ReentrantLock lock = this.lock;
 5     lock.lock();
 6     try {
 7         // 原有容器复制一份
 8         Object[] elements = getArray();
 9         int len = elements.length;
10         // 创建一个容器，将原来的数据复制到新容器中，并且还有一个位置空余
11         Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
12         // 将新元素添加到空余位置
13         newElements[len] = e;
14         // 将原来指向旧容器的引用指向新容器
15         setArray(newElements);
16         return true;
17     } finally {
18         // 写操作完成，解锁
19         lock.unlock();
20     }
21 }
22  
23 public E set(int index, E element) {
24     // 更新操作类似
25     final ReentrantLock lock = this.lock;
26     lock.lock();
27     try {
28         Object[] elements = getArray();
29         E oldValue = get(elements, index);
30  
31         if (oldValue != element) {
32             int len = elements.length;
33             Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len);
34             newElements[index] = element;
35             setArray(newElements);
36         } else {
37             // Not quite a no-op; ensures volatile write semantics
38             setArray(elements);
39         }
40         return oldValue;
41     } finally {
42         lock.unlock();
43     }
44 }
45  
46 // 读操作不加锁
47 private E get(Object[] a, int index) {
48     return (E) a[index];
49 }
        View Code

　　　　②HashSet：

      • 　　　　
      • 使用Collections集合工具类的static方法SynchronizedSet，将HashSet的集合传入Collections.synchronizedSet(Set set)方法，使其成为线程安全的集合；
      • CopyOnWriteArraySet：也是写时复制思想，但是内部还是使用CopyOnWriteArrayList实现，源码如下： 
         1 public class CopyOnWriteArraySet<E> extends AbstractSet<E>
 2         implements java.io.Serializable {
 3     private static final long serialVersionUID = 5457747651344034263L;
 4  
 5     private final CopyOnWriteArrayList<E> al;
 6  
 7     /**
 8      * Creates an empty set.
 9      */
10     public CopyOnWriteArraySet() {
11         // 构造器内部实例化了一个CopyOnWriteArrayList
12         al = new CopyOnWriteArrayList<E>();
13     }
14     // ...
15 }
        View Code

　　　　③HashMap：　　　　　　

      • 　　　　
      • 使用Collections集合工具类的静态方法synchronizedMap，将HashMap的集合传入Collections.synchronizedMap(Map map)方法，使其成为线程安全的Map
      • 使用juc包下ConcurrentHashMap类

TreeSet和TreeMap异同参考：

https://blog.csdn.net/gldemo/article/details/44653787

https://blog.csdn.net/sinat_35821285/article/details/80225116

线程安全测试代码参考：

https://www.cnblogs.com/lzhdonald/archive/2020/07/17/13332727.html

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原文地址：https://www.cnblogs.com/xiao-lin-unit/p/13650950.html