面试题：Java 线程安全的集合有哪些?

在Java中，线程安全的集合类主要分为两类：传统线程安全集合和现代并发集合。以下是常见的线程安全集合及其特点：

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1. 传统线程安全集合

这些集合通过 synchronized 关键字或全局锁实现线程安全，但性能较低，适合简单场景。

(1) Vector

• 特点：
  • 动态数组实现，继承自 AbstractList。
  • 所有方法（如 add、get、remove）都通过 synchronized 加锁。
  • 致命缺陷：全局锁导致并发性能差（比 CopyOnWriteArrayList 慢10倍以上），且迭代器未自动同步，可能抛出 ConcurrentModificationException。
• 适用场景：已淘汰，不推荐使用。

(2) Hashtable

• 特点：
  • 基于哈希表的键值对存储。
  • 所有方法（如 put、get）都通过 synchronized 加锁。
  • 不允许 null 键或值。
• 适用场景：已淘汰，推荐使用 ConcurrentHashMap 替代。

(3) Stack

• 特点：
  • 继承自 Vector，实现后进先出（LIFO）的栈结构。
  • 所有方法通过 synchronized 加锁。
• 适用场景：已淘汰，推荐使用 Deque 接口的线程安全实现（如 ConcurrentLinkedDeque）。

(4) Properties

• 特点：
  • 继承自 Hashtable，用于存储键值对（通常为字符串）。
  • 所有方法通过 synchronized 加锁。
• 适用场景：适合简单的配置管理，但性能较低。

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2. 现代并发集合（java.util.concurrent 包）

这些集合通过更高效的锁机制（如分段锁、CAS）或无锁算法实现线程安全，适合高并发场景。

(1) ConcurrentHashMap

• 特点：
  • 基于哈希表的键值对存储，支持高并发。
  • JDK 7：采用分段锁（Segment Lock）机制，将哈希表分为多个段，每个段独立加锁。
  • JDK 8+：使用 CAS（Compare and Swap）和 synchronized 实现更细粒度的锁。
  • 支持迭代时修改，避免 ConcurrentModificationException。
  • 不允许 null 键或值。
• 适用场景：高频读写场景（如缓存、计数器）。

(2) CopyOnWriteArrayList

• 特点：
  • 动态数组实现，适合读多写少的场景。
  • 写时复制：修改操作（如 add、remove）会复制整个数组，在副本上修改。
  • 读操作无锁，性能接近 ArrayList。
  • 写操作开销大（每次修改需复制数组）。
• 适用场景：监控系统、配置管理（如遍历频繁但修改较少）。

(3) CopyOnWriteArraySet

• 特点：
  • 基于 CopyOnWriteArrayList 的线程安全集合。
  • 底层依赖 CopyOnWriteArrayList 的写时复制机制。
  • 不允许 null 元素。
• 适用场景：读多写少的集合场景。

(4) ConcurrentLinkedQueue

• 特点：
  • 基于链表的无界非阻塞队列。
  • 使用 CAS（无锁算法）实现线程安全。
  • 支持高并发的生产者-消费者模式。
• 适用场景：高吞吐量的队列操作（如事件驱动系统）。

(5) BlockingQueue 接口及实现类

• 常见实现类：
  • ArrayBlockingQueue：基于数组的有界阻塞队列。
  • LinkedBlockingQueue：基于链表的无界/有界阻塞队列。
  • PriorityBlockingQueue：支持优先级排序的无界阻塞队列。
  • SynchronousQueue：不存储元素的阻塞队列（直接传递）。
• 特点：
  • 阻塞操作：队列满时 put 阻塞，队列空时 take 阻塞。
  • 适合生产者-消费者模式。
• 适用场景：任务调度、线程池、消息队列。

(6) ConcurrentSkipListMap & ConcurrentSkipListSet

• 特点：
  • 基于跳表（SkipList）实现的线程安全有序集合。
  • 支持并发读写，且保持元素有序。
  • ConcurrentSkipListMap 是有序的键值对存储，ConcurrentSkipListSet 是无重复元素的有序集合。
• 适用场景：需要有序且线程安全的键值对或集合操作。

(7) Collections.synchronizedXXX 包装类

• 特点：
  • 通过 Collections.synchronizedList、Collections.synchronizedMap 等方法包装普通集合（如 ArrayList、HashMap）。
  • 所有方法通过 synchronized 加锁。
  • 注意：迭代时需手动同步（synchronized(list)）。
• 适用场景：兼容旧代码，但性能较低。

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3. 其他线程安全集合

• ConcurrentLinkedDeque：基于链表的无界非阻塞双端队列，支持并发读写。
• ArrayBlockingQueue：基于数组的有界阻塞队列，适合固定容量的生产者-消费者场景。
• LinkedBlockingDeque：基于链表的无界/有界阻塞双端队列。

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4. 选择线程安全集合的原则

场景	推荐集合	原因
读多写少	CopyOnWriteArrayList	写时复制，读操作无锁，性能高。
高频读写	ConcurrentHashMap	分段锁或 CAS 实现，支持高并发。
生产者-消费者模式	BlockingQueue（如 ArrayBlockingQueue）	阻塞操作简化线程协调。
有序集合	ConcurrentSkipListSet	跳表实现，线程安全且有序。
无需线程安全	普通集合（如 ArrayList）	但需通过 synchronized 或 Collections.synchronizedXXX 手动同步。

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5. 注意事项

• 避免过度使用 Vector 和 Hashtable：它们的全局锁性能较差，已被现代集合取代。
• 权衡性能与一致性：例如 CopyOnWriteArrayList 写操作开销大，适合读多写少场景。
• 迭代器同步：使用 Collections.synchronizedXXX 包装的集合时，迭代必须手动同步。

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6. 示例代码

// 使用 ConcurrentHashMap
Map<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();
map.put("key1", "value1");
String value = map.get("key1");

// 使用 CopyOnWriteArrayList
List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
list.add("item1");
for (String item : list) {
    System.out.println(item);
}

// 使用 BlockingQueue
BlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<>();
queue.put("task1"); // 阻塞直到队列有空位
String task = queue.take(); // 阻塞直到队列有元素

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通过合理选择线程安全集合，可以显著提升多线程程序的性能和可靠性！