面试题：Java Collections工具类线程安全集合包装方法在高并发场景下的性能问题

Question

在高并发读写场景下，使用Collections工具类的线程安全集合包装方法（如Collections.synchronizedMap()）可能会出现哪些性能问题？针对这些问题，有哪些替代方案？请从原理和适用场景等方面进行分析。

Answer 1

性能问题

1. 锁粒度大：Collections.synchronizedMap() 使用一个全局锁来同步所有的读写操作。在高并发场景下，这意味着同一时间只有一个线程能够进行读或写操作，其他线程都需要等待锁的释放，从而导致线程竞争激烈，大大降低了并发性能。例如，多个线程同时读取数据时，由于全局锁的存在，即使读操作并不存在数据一致性问题，也需要等待锁，造成不必要的性能损耗。
2. 读操作性能受影响：由于读操作也需要获取锁，而读操作本身并不会改变数据状态，理论上可以并发执行。但在这种全局锁的机制下，读操作也被串行化，影响了整体的读取性能。

替代方案

1. ConcurrentHashMap
   • 原理：ConcurrentHashMap 在 JDK1.7 中采用分段锁（Segment）机制，将数据分成多个段，每个段有独立的锁。不同段的数据操作可以并发进行，从而提高并发性能。例如，当一个线程对某一段数据进行写操作时，不会影响其他段的读写操作。在 JDK1.8 中，摒弃了分段锁机制，采用 CAS（Compare - And - Swap）和 synchronized 关键字来实现线程安全。对链表和红黑树的头节点使用 synchronized 锁，大大降低了锁的粒度，提高了并发读写性能。
   • 适用场景：适用于高并发读写场景，尤其是读操作远多于写操作的场景。例如，在缓存系统中，大量的线程可能同时读取缓存数据，偶尔有线程进行数据更新操作，ConcurrentHashMap 能够很好地满足这种需求。
2. CopyOnWriteArrayList/CopyOnWriteArraySet
   • 原理：CopyOnWriteArrayList 用于 List 类型，CopyOnWriteArraySet 用于 Set 类型。它们的原理是写时复制（Copy - On - Write）。当进行写操作（如添加、修改、删除元素）时，会先复制一份原数组，在新数组上进行操作，操作完成后将原数组引用指向新数组。而读操作直接读取原数组，不需要加锁。这就使得读操作完全无锁，并发性能极高。但由于写操作需要复制数组，开销较大。
   • 适用场景：适用于读多写少的场景。例如，在一些配置信息的存储场景中，配置信息很少变动，但可能会被多个线程频繁读取，这种情况下 CopyOnWriteArrayList 或 CopyOnWriteArraySet 是不错的选择。