面试题：Java多线程中线程安全的集合类有哪些及原理

Vector
- 线程安全实现方式：Vector的大部分方法（如add、get、remove等）都使用synchronized关键字进行同步。这意味着在同一时间，只有一个线程可以访问这些方法，从而保证了线程安全。例如：
```
public synchronized boolean add(E e) {
    modCount++;
    ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
    elementData[elementCount++] = e;
    return true;
}
```

Hashtable

线程安全实现方式：类似Vector，Hashtable的大多数方法（如put、get、remove等）也通过synchronized关键字实现同步。这使得在多线程环境下，对Hashtable的操作是线程安全的。例如：

public synchronized V put(K key, V value) {
    // 检查键是否为null
    if (value == null) {
        throw new NullPointerException();
    }
    // 计算哈希值
    Entry<?,?> tab[] = table;
    int hash = key.hashCode();
    int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
    @SuppressWarnings("unchecked")
    Entry<K,V> entry = (Entry<K,V>)tab[index];
    for(; entry!= null ; entry = entry.next) {
        if ((entry.hash == hash) && entry.key.equals(key)) {
            V old = entry.value;
            entry.value = value;
            return old;
        }
    }
    addEntry(hash, key, value, index);
    return null;
}

ConcurrentHashMap
- 线程安全实现方式：
  - 分段锁机制（早期版本）：在Java 7及以前版本，ConcurrentHashMap采用分段锁（Segment）机制。它将数据分成多个段（Segment），每个段就像一个小的Hashtable，都有自己的锁。不同段之间的操作可以并发执行，只有访问同一Segment时才会竞争锁，大大提高了并发性能。
  - CAS和 synchronized 结合（Java 8及以后）：Java 8中，ConcurrentHashMap摒弃了分段锁机制，采用数组 + 链表/红黑树的数据结构。在更新操作时，使用CAS（Compare - and - Swap）操作来保证对数组元素的原子性更新，对于链表或红黑树节点的操作使用synchronized关键字。例如，在插入元素时，首先使用CAS尝试将元素插入数组，如果失败（说明有其他线程同时在操作），则对该位置的链表或红黑树加synchronized锁进行操作。
CopyOnWriteArrayList
- 线程安全实现方式：CopyOnWriteArrayList采用写时复制的策略。当对列表进行修改（如add、remove等操作）时，会先复制一份原数组，在新数组上进行修改操作，然后将原数组引用指向新数组。而读操作（如get等）则直接读取原数组，不涉及锁操作。由于读操作和写操作使用不同的数组，所以读操作是线程安全的，而写操作虽然需要复制数组，但也通过加锁（ReentrantLock）保证了线程安全。例如：
```
public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        newElements[len] = e;
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}
```
CopyOnWriteArraySet
- 线程安全实现方式：CopyOnWriteArraySet内部是基于CopyOnWriteArrayList实现的。它的线程安全机制和CopyOnWriteArrayList相同，即写时复制。在添加元素时，会调用CopyOnWriteArrayList的addIfAbsent方法，同样是先复制数组，在新数组上添加元素，然后更新数组引用，保证了线程安全。读操作则直接读取原数组，不涉及锁操作，从而实现线程安全。

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