面试题：Java集合框架自定义实现及性能优化

Question

假设要实现一个自定义的线程安全的集合类，继承自Java集合框架中的某个接口（如List接口），请描述实现思路，包括如何保证线程安全，同时结合性能优化的角度阐述你在设计数据结构和方法时会采取的策略，并简单提及涉及到的关键源码点。

Answer 1

实现思路

1. 选择继承接口：选择List接口，意味着需要实现List接口定义的所有方法，如add、get、remove等。
2. 保证线程安全：
   • 使用同步关键字：在关键方法（如add、remove、get）上使用synchronized关键字，确保同一时间只有一个线程可以访问这些方法，从而保证线程安全。例如：

public synchronized boolean add(E e) {
    // 实际添加元素的逻辑
}

• 使用java.util.concurrent包中的工具：如CopyOnWriteArrayList，它内部实现通过在修改操作（如add、remove）时复制整个底层数组，读操作（如get）直接读取原数组，这样读操作不需要加锁，从而提高性能。

性能优化策略

1. 读多写少场景：
   • 采用CopyOnWriteArrayList类似策略：读操作不涉及锁竞争，提高并发读性能。但写操作时由于需要复制数组，开销较大，所以适用于读多写少场景。
2. 写多读少场景：
   • 减少锁粒度：如果使用synchronized关键字，可以考虑使用更细粒度的锁，比如分段锁。例如，将集合按照一定规则（如元素数量）分成多个段，不同段使用不同的锁，这样不同线程可以同时操作不同段的数据，提高并发写性能。
3. 通用优化：
   • 避免不必要的同步：对于一些不涉及共享数据修改的方法，如获取集合大小size方法，可以不进行同步，提高性能。

关键源码点

1. synchronized关键字实现：
   • 当一个线程进入synchronized修饰的方法时，会获取对象的监视器（monitor），其他线程尝试进入该方法时会被阻塞，直到该线程释放监视器。
2. CopyOnWriteArrayList源码：
   • add方法：

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();
    }
}

• get方法：

public E get(int index) {
    return get(getArray(), index);
}
private E get(Object[] a, int index) {
    return (E) a[index];
}

可以看到add方法加锁并复制数组，get方法直接读取数组，从而实现读操作无锁。