Java 线程安全的集合

Vector

ArrayList 的线程安全版本，对所有的修改方法都进行了 synchronized 同步处理。适用于多线程环境下对数据一致性要求高，且读写操作相对比较均衡，不需要很高并发性能的场景。由于所有操作都进行同步，在高并发环境下，性能相对较差

Hashtable

HashMap 的线程安全版本，对每个关键方法都进行了 synchronized 同步处理。在多线程环境下需要一个线程安全的键值对存储结构，并且对数据的读写频率相对均衡时适用。高并发下性能不佳，并且不允许键或值为 null

ConcurrentHashMap

1. 数据结构

在 JDK1.7 中，ConcurrentHashMap 底层数据结构由多个 Segment 组成，Segment 继承自 ReentrantLock，本质上是一个可重入锁，每个 Segment 独立管理一部分数据，相当于一个小型的哈希表。每个 Segment 内部包含一个 HashEntry 数组，用于存储键值对。HashEntry 是一个链表结构，用于解决哈希冲突，新的键值对会插入到链表头部

在 JDK1.8 中，ConcurrentHashMap 底层数据结构是一个 Node 数组，Node 节点用链表或红黑树解决哈希冲突。当链表长度小于等于 8 时，采用链表存储数据。当链表长度大于 8 且数组长度大于 64 时，链表会转化为红黑树

2. 读取原理

在 JDK1.7 中，HashEntry 的 value 和 next 指针都被声明为 volatile 类型，保证内存可见性。不同的 Segment 可以并发访问，多个线程可以同时读取不同 Segment 的数据

在 JDK1.8 中，Node 节点的 value 和 next 指针都被声明为 volatile 类型，保证内存可见性。多个线程可同时读取不同位置的元素，提高并发读性能

3. 写入原理

在 JDK1.7 中，首先需要根据键的哈希值定位到对应的 Segment，然后获取该 Segment的锁。获取锁后，在对应 Segment 的 HashEntry 数组中找到合适的位置，将新的键值对插入到链表头部

在 JDK1.8 中，首先需要根据键的哈希值定位到对应的 Node 数组索引，若该位置为空，利用 CAS 操作将新节点插入，成功则插入完成。若 CAS 插入失败，说明发生哈希冲突。当发生哈希冲突时，若是链表，则对链表头节点加锁，遍历链表插入或更新，若是红黑树，则对红黑树的根节点加锁，按红黑树规则插入或更新

4. 扩容机制

在 JDK1.7 中，当某个 Segment 的 HashEntry 数组的元素数量达到阈值时，该 Segment 会加锁进行扩容操作。扩容时会创建一个新的更大的 HashEntry 数组，然后将原数组中的元素重新哈希并复制到新数组。不同的 Segment 可以独立进行扩容，不会影响其他 Segment 的正常操作

在 JDK1.8 中，当元素数量达到阈值，触发扩容。首先使用 CAS 操作创建一个更大的 Node 数组，然后使用 CAS 操作更新数组中的 Node 节点引用，再对 Node 节点的链表头节点或红黑树根节点使用 synchronized 关键字加锁，进行数据迁移操作。ConcurrentHashMap 采用多线程分段迁移的方式将原数组元素迁移到新数组，不同线程可负责不同段的迁移工作

CopyOnWriteArrayList / CopyOnWriteArraySet

CopyOnWriteArrayList 是一种线程安全的 List 实现，允许在多线程环境下进行并发的读写操作，其核心思想是“写时复制”，即当进行写操作时，会创建一个原数据结构的副本，在副本上进行修改，完成后再将副本替换原数据结构。CopyOnWriteArraySet 与 CopyOnWriteArrayList 的作用与实现类似

当执行写操作时，CopyOnWriteArrayList 会先创建一个当前数组的副本，对副本进行写操作。由于操作的是副本，不会影响到其他线程对原数组的读操作，从而保证了读写之间的并发安全。完成对副本的写操作后，会通过原子操作将原数组的引用替换为指向新的副本数组的引用。在这个替换过程中，使用 volatile 关键字修饰数组引用，保证其他线程能够及时看到更新后的数组。上述整个过程使用 ReentrantLock 锁保证同一时刻只有一个线程能够进行写操作

ConcurrentLinkedQueue

ConcurrentLinkedQueue 是基于链表实现的线程安全队列，采用 CAS 算法实现无锁的并发访问。比如多个线程同时进行出队操作时，每个线程都可以独立地尝试更新头节点的引用，通过 CAS 操作确保只有一个线程能够成功更新，从而实现了无锁的并发访问

BlockingQueue

BlockingQueue 是阻塞队列，内部使用锁机制实现线程安全。当队列已满时，尝试向队列中添加元素的线程会被阻塞，直到队列有空间可用。当队列为空时，尝试从队列中获取元素的线程会被阻塞，直到队列有元素可获取

具体参考：https://www.cnblogs.com/Yee-Q/p/14580034.html

同步包装器

Java 同步包装器是指通过 Collections 类的静态方法将非线程安全的集合转换为线程安全的集合，主要包括以下几种：

synchronizedList：把普通的 List 转换为线程安全的列表。通过对 List 的所有操作添加同步锁，确保同一时刻只有一个线程能够访问列表，避免并发访问时出现数据不一致等问题，如 List<String> synchronizedList = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
synchronizedMap：把普通的 Map 转换为线程安全的映射。在对 Map 进行操作时，都会进行同步处理，保证多线程环境下 Map 的操作安全，如：Map<String, Integer> synchronizedMap = Collections.synchronizedMap(new HashMap<>());
synchronizedSet：把普通的 Set 转换为线程安全的集合。通过同步机制，确保在多线程访问 Set 时，元素的添加、删除等操作不会出现并发问题，如：Set<String> synchronizedSet = Collections.synchronizedSet(new HashSet<>());