面试题：Java并发集合框架设计理念及自定义实现

Question

从整体上阐述Java并发集合框架的设计理念，以及它是如何平衡并发性能与数据一致性的。假设让你基于现有知识，自定义实现一个线程安全的集合类，需要满足高并发读、低并发写的场景，你会如何设计？请从数据结构选择、同步策略、内存管理等方面进行详细说明。

Answer 1

Java并发集合框架设计理念

1. 高效并发：充分利用多核CPU，减少锁竞争，提高多线程环境下的性能。例如，ConcurrentHashMap采用分段锁技术（JDK1.7）或CAS操作（JDK1.8），使得在高并发情况下，不同线程可以并行访问集合的不同部分。
2. 数据一致性：在保证高效并发的同时，尽量满足不同场景下的数据一致性需求。比如CopyOnWriteArrayList通过写时复制机制，在读操作时不需要加锁，保证了数据的最终一致性。

平衡并发性能与数据一致性

1. 锁优化：使用更细粒度的锁，如ConcurrentHashMap的分段锁或ReentrantLock的公平锁/非公平锁机制，降低锁的粒度，减少线程竞争。
2. 无锁数据结构：如ConcurrentLinkedQueue基于链表实现，利用CAS操作实现无锁队列，提高并发性能，同时保证数据的一致性。
3. 读写分离：ReadWriteLock实现读写锁分离，允许多个线程同时读，但只允许一个线程写，在读多写少的场景下提升性能。

自定义实现线程安全集合类（高并发读、低并发写场景）

数据结构选择

1. 数组：适合高并发读场景，因为数组的随机访问时间复杂度为O(1)，可以快速定位元素。例如，CopyOnWriteArrayList就采用数组作为底层数据结构。
2. 链表：如果需要频繁插入和删除操作，链表结构更为合适，如ConcurrentLinkedQueue。

同步策略

1. 写操作：
   • 使用锁：采用ReentrantLock或synchronized关键字对写操作进行同步。由于是低并发写，锁的竞争不会过于激烈。
   • 写时复制：借鉴CopyOnWriteArrayList的思想，在写操作时复制一份新的数组，修改完成后替换原数组，保证读操作不受影响。
2. 读操作：
   • 无锁操作：读操作不需要加锁，直接访问数据，提高读性能。
   • 使用volatile关键字：确保读操作能及时获取到最新数据，保证数据的可见性。

内存管理

1. 对象复用：对于频繁创建和销毁的对象，如链表节点，可以采用对象池技术，减少内存开销。
2. 合理释放内存：在集合元素移除时，确保相关内存能及时释放，避免内存泄漏。例如，在链表中移除节点时，将节点的引用置为null，以便垃圾回收器回收内存。