1. JUC包下的并發(fā)容器

Java的集合容器框架中，主要有四大類別：List、Set、Queue、Map，大家熟知的這些集合類ArrayList、LinkedList、HashMap這些容器都是非線程安全的。

所以，Java先提供了同步容器供用戶使用。同步容器可以簡單地理解為通過synchronized來實(shí)現(xiàn)同步的容器，比如Vector、Hashtable以及SynchronizedList等容器。這樣做的代價(jià)是削弱了并發(fā)性，當(dāng)多個(gè)線程共同競爭容器級(jí)的鎖時(shí)，吞吐量就會(huì)降低。

因此為了解決同步容器的性能問題，所以才有了并發(fā)容器。java.util.concurrent包中提供了多種并發(fā)類容器：

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CopyOnWriteArrayList

對(duì)應(yīng)的非并發(fā)容器：ArrayList

目標(biāo)：代替Vector、synchronizedList

原理：利用高并發(fā)往往是讀多寫少的特性，對(duì)讀操作不加鎖，對(duì)寫操作，先復(fù)制一份新的集合，在新的集合上面修改，然后將新集合賦值給舊的引用，并通過volatile 保證其可見性，當(dāng)然寫操作的鎖是必不可少的了。

CopyOnWriteArraySet

對(duì)應(yīng)的非并發(fā)容器：HashSet

目標(biāo)：代替synchronizedSet

原理：基于CopyOnWriteArrayList實(shí)現(xiàn)，其唯一的不同是在add時(shí)調(diào)用的是CopyOnWriteArrayList的addIfAbsent方法，其遍歷當(dāng)前Object數(shù)組，如Object數(shù)組中已有了當(dāng)前元素，則直接返回，如果沒有則放入Object數(shù)組的尾部，并返回。

ConcurrentHashMap

對(duì)應(yīng)的非并發(fā)容器：HashMap

目標(biāo)：代替Hashtable、synchronizedMap，支持復(fù)合操作

原理：JDK6中采用一種更加細(xì)粒度的加鎖機(jī)制Segment“分段鎖”，JDK8中采用CAS無鎖算法。

ConcurrentSkipListMap

對(duì)應(yīng)的非并發(fā)容器：TreeMap

目標(biāo)：代替synchronizedSortedMap(TreeMap)

原理：Skip list（跳表）是一種可以代替平衡樹的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，默認(rèn)是按照Key值升序的。

2. CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList 是 Java 中的一種線程安全的 List，它是一個(gè)可變的數(shù)組，支持并發(fā)讀和寫。它通過在修改操作時(shí)創(chuàng)建底層數(shù)組的副本來實(shí)現(xiàn)線程安全，從而保證了并發(fā)訪問的一致性。

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2.1 應(yīng)用場景

CopyOnWriteArrayList 的應(yīng)用場景主要有兩個(gè)方面：

• 讀多寫少的場景

由于 CopyOnWriteArrayList 的讀操作不需要加鎖，因此它非常適合在讀多寫少的場景中使用。例如，一個(gè)讀取頻率比寫入頻率高得多的緩存，使用 CopyOnWriteArrayList 可以提高讀取性能，并減少鎖競爭的開銷。

• 不需要實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)

由于 CopyOnWriteArrayList 讀取的數(shù)據(jù)可能不是最新的，因此它適合于不需要實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)。例如，在日志應(yīng)用中，為了保證應(yīng)用的性能，日志記錄的操作可能被緩沖，并不是實(shí)時(shí)寫入文件系統(tǒng)，而是在某個(gè)時(shí)刻批量寫入。這種情況下，使用 CopyOnWriteArrayList 可以避免多個(gè)線程之間的競爭，提高應(yīng)用的性能。

2.2 CopyOnWriteArrayList使用

基本使用

和 ArrayList 在使用方式方面很類似。

// 創(chuàng)建一個(gè) CopyOnWriteArrayList 對(duì)象
CopyOnWriteArrayList phaser = new CopyOnWriteArrayList();
// 新增
copyOnWriteArrayList.add(1);
// 設(shè)置（指定下標(biāo)）
copyOnWriteArrayList.set(0, 2);
// 獲?。ú樵儯?copyOnWriteArrayList.get(0);
// 刪除
copyOnWriteArrayList.remove(0);
// 清空
copyOnWriteArrayList.clear();
// 是否為空
copyOnWriteArrayList.isEmpty();
// 是否包含
copyOnWriteArrayList.contains(1);
// 獲取元素個(gè)數(shù)
copyOnWriteArrayList.size();

IP 黑名單判定

當(dāng)應(yīng)用接入外部請(qǐng)求后，為了防范風(fēng)險(xiǎn)，一般會(huì)對(duì)請(qǐng)求做一些特征判定，如對(duì)請(qǐng)求 IP 是否合法的判定就是一種。IP 黑名單偶爾會(huì)被系統(tǒng)運(yùn)維人員做更新

public class CopyOnWriteArrayListDemo {
    private static CopyOnWriteArrayList<String> copyOnWriteArrayList = new CopyOnWriteArrayList<>();
    // 模擬初始化的黑名單數(shù)據(jù)
    static {
        copyOnWriteArrayList.add("ipAddr0");
        copyOnWriteArrayList.add("ipAddr1");
        copyOnWriteArrayList.add("ipAddr2");
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Runnable task = new Runnable() {
            public void run() {
                // 模擬接入用時(shí)
                try {
                    Thread.sleep(new Random().nextInt(5000));
                } catch (Exception e) {}
                String currentIP = "ipAddr" + new Random().nextInt(6);
                if (copyOnWriteArrayList.contains(currentIP)) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " IP " + currentIP + "命中黑名單，拒絕接入處理");
                    return;
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " IP " + currentIP + "接入處理...");
            }
        };
        new Thread(task, "請(qǐng)求1").start();
        new Thread(task, "請(qǐng)求2").start();
        new Thread(task, "請(qǐng)求3").start();
        new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                // 模擬用時(shí)
                try {
                    Thread.sleep(new Random().nextInt(2000));
                } catch (Exception e) {}
                String newBlackIP = "ipAddr3";
                copyOnWriteArrayList.add(newBlackIP);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 添加了新的非法IP " + newBlackIP);
            }
        }, "IP黑名單更新").start();
        Thread.sleep(1000000);
    }
}

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2.3 原理

很多時(shí)候，我們的系統(tǒng)應(yīng)對(duì)的都是讀多寫少的并發(fā)場景。CopyOnWriteArrayList容器允許并發(fā)讀，讀操作是無鎖的，性能較高。至于寫操作，比如向容器中添加一個(gè)元素，則首先將當(dāng)前容器復(fù)制一份，然后在新副本上執(zhí)行寫操作，結(jié)束之后再將原容器的引用指向新容器。

• 線程安全的，多線程環(huán)境下可以直接使用，無需加鎖；
• 通過鎖 + 數(shù)組拷貝 + volatile 關(guān)鍵字保證了線程安全；
• 每次數(shù)組操作，都會(huì)把數(shù)組拷貝一份出來，在新數(shù)組上進(jìn)行操作，操作成功之后再賦值回去。

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從整體架構(gòu)上來說，CopyOnWriteArrayList 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和 ArrayList 是一致的，底層是個(gè)數(shù)組，只不過 CopyOnWriteArrayList 在對(duì)數(shù)組進(jìn)行操作的時(shí)候，基本會(huì)分四步走：

• 加鎖；
• 從原數(shù)組中拷貝出新數(shù)組；
• 在新數(shù)組上進(jìn)行操作，并把新數(shù)組賦值給數(shù)組容器；
• 解鎖

除了加鎖之外，CopyOnWriteArrayList 的底層數(shù)組還被 volatile 關(guān)鍵字修飾，意思是一旦數(shù)組被修改，其它線程立馬能夠感知到，代碼如下：

private transient volatile Object[] array;

整體上來說，CopyOnWriteArrayList 就是利用鎖 + 數(shù)組拷貝 + volatile 關(guān)鍵字保證了 List 的線程安全。

優(yōu)點(diǎn)

讀操作（不加鎖）性能很高，因?yàn)闊o需任何同步措施，比較適用于讀多寫少的并發(fā)場景。Java的list在遍歷時(shí)，若中途有別的線程對(duì)list容器進(jìn)行修改，則會(huì)拋ConcurrentModificationException異常。而CopyOnWriteArrayList由于其"讀寫分離"的思想，遍歷和修改操作分別作用在不同的list容器，所以在使用迭代器進(jìn)行遍歷時(shí)候，也就不會(huì)拋出ConcurrentModificationException異常了。

缺點(diǎn)

• 內(nèi)存占用問題，畢竟每次執(zhí)行寫操作都要將原容器拷貝一份。數(shù)據(jù)量大時(shí)，對(duì)內(nèi)存壓力較大，可能會(huì)引起頻繁GC；
• 無法保證實(shí)時(shí)性，因?yàn)镃opyOnWrite的寫時(shí)復(fù)制機(jī)制，所以在進(jìn)行寫操作的時(shí)候，內(nèi)存里會(huì)同時(shí)駐扎兩個(gè)對(duì)象的內(nèi)存，舊的對(duì)象和新寫入的對(duì)象（注意：在復(fù)制的時(shí)候只是復(fù)制容器里的引用，只是在寫的時(shí)候會(huì)創(chuàng)建新對(duì)象添加到新容器里，而舊容器的對(duì)象還在使用，所以有兩份對(duì)象內(nèi)存）

2.4 擴(kuò)展知識(shí)：迭代器的 fail-fast 與 fail-safe 機(jī)制

在 Java 中，迭代器（Iterator）在迭代的過程中，如果底層的集合被修改（添加或刪除元素），不同的迭代器對(duì)此的表現(xiàn)行為是不一樣的，可分為兩類：Fail-Fast（快速失?。┖?Fail-Safe（安全失?。?/span>

fail-fast 機(jī)制

fail-fast 機(jī)制是java集合(Collection)中的一種錯(cuò)誤機(jī)制。當(dāng)多個(gè)線程對(duì)同一個(gè)集合的內(nèi)容進(jìn)行操作時(shí)，就可能會(huì)產(chǎn)生 fail-fast 事件。例如：當(dāng)某一個(gè)線程A通過 iterator 去遍歷某集合的過程中，若該集合的內(nèi)容被其他線程所改變了；那么線程A訪問集合時(shí)，就會(huì)拋出ConcurrentModificationException異常，產(chǎn)生 fail-fast 事件。

在 java.util 包中的集合，如 ArrayList、HashMap 等，它們的迭代器默認(rèn)都是采用 Fail-Fast 機(jī)制。

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fail-fast解決方案

• 方案一：在遍歷過程中所有涉及到改變modCount 值的地方全部加上synchronized 或者直接使用 Collection#synchronizedList，這樣就可以解決問題，但是不推薦，因?yàn)樵鰟h造成的同步鎖可能會(huì)阻塞遍歷操作。
• 方案二：使用CopyOnWriteArrayList 替換 ArrayList，推薦使用該方案（即fail-safe）。

fail-safe機(jī)制

任何對(duì)集合結(jié)構(gòu)的修改都會(huì)在一個(gè)復(fù)制的集合上進(jìn)行，因此不會(huì)拋出ConcurrentModificationException。在 java.util.concurrent 包中的集合，如 CopyOnWriteArrayList、ConcurrentHashMap 等，它們的迭代器一般都是采用 Fail-Safe 機(jī)制。

缺點(diǎn)：

• 采用 Fail-Safe 機(jī)制的集合類都是線程安全的，但是它們無法保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)一致性，它們只能保證數(shù)據(jù)的最終一致性。在迭代過程中，如果集合被修改了，可能讀取到的仍然是舊的數(shù)據(jù)。
• Fail-Safe 機(jī)制還存在另外一個(gè)問題，就是內(nèi)存占用。由于這類集合一般都是通過復(fù)制來實(shí)現(xiàn)讀寫分離的，因此它們會(huì)創(chuàng)建出更多的對(duì)象，導(dǎo)致占用更多的內(nèi)存，甚至可能引起頻繁的垃圾回收，嚴(yán)重影響性能。