## 17 [*]并发 List、Map源码面试题 ## 引导语 并发 List 和 Map 是技术面时常问的问题，问的问题也都比较深入，有很多问题都是面试官自创的，市面上找不到，所以说通过背题的方式，这一关大部分是过不了的，只有我们真正理解了 API 内部的实现，阅读过源码，才能自如应对各种类型的面试题，接着我们来看一下并发 List、Map 源码相关的面试题集。 ### 1 CopyOnWriteArrayList 相关 #### 1.1 和 ArrayList 相比有哪些相同点和不同点？ 答：相同点：底层的数据结构是相同的，都是数组的数据结构，提供出来的 API 都是对数组结构进行操作，让我们更好的使用。 不同点：后者是线程安全的，在多线程环境下使用，无需加锁，可直接使用。 #### 1.2 CopyOnWriteArrayList 通过哪些手段实现了线程安全？ 答：主要有：1. 数组容器被 volatile 关键字修饰，保证了数组内存地址被任意线程修改后，都会通知到其他线程； 1. 对数组的所有修改操作，都进行了加锁，保证了同一时刻，只能有一个线程对数组进行修改，比如我在 add 时，就无法 remove； 2. 修改过程中对原数组进行了复制，是在新数组上进行修改的，修改过程中，不会对原数组产生任何影响。 通过以上三点保证了线程安全。 #### 1.3 在 add 方法中，对数组进行加锁后，不是已经是线程安全了么，为什么还需要对老数组进行拷贝？ 答：的确，对数组进行加锁后，能够保证同一时刻，只有一个线程能对数组进行 add，在同单核 CPU 下的多线程环境下肯定没有问题，但我们现在的机器都是多核 CPU，如果我们不通过复制拷贝新建数组，修改原数组容器的内存地址的话，是无法触发 volatile 可见性效果的，那么其他 CPU 下的线程就无法感知数组原来已经被修改了，就会引发多核 CPU 下的线程安全问题。 假设我们不复制拷贝，而是在原来数组上直接修改值，数组的内存地址就不会变，而数组被 volatile 修饰时，必须当数组的内存地址变更时，才能及时的通知到其他线程，内存地址不变，仅仅是数组元素值发生变化时，是无法把数组元素值发生变动的事实，通知到其它线程的。 #### 1.4 对老数组进行拷贝，会有性能损耗，我们平时使用需要注意什么么？ 答：主要有： 1. 在批量操作时，尽量使用 addAll、removeAll 方法，而不要在循环里面使用 add、remove 方法，主要是因为 for 循环里面使用 add 、remove 的方式，在每次操作时，都会进行一次数组的拷贝(甚至多次)，非常耗性能，而 addAll、removeAll 方法底层做了优化，整个操作只会进行一次数组拷贝，由此可见，当批量操作的数据越多时，批量方法的高性能体现的越明显。 #### 1.5 为什么 CopyOnWriteArrayList 迭代过程中，数组结构变动，不会抛出ConcurrentModificationException 了 答：主要是因为 CopyOnWriteArrayList 每次操作时，都会产生新的数组，而迭代时，持有的仍然是老数组的引用，所以我们说的数组结构变动，是用新数组替换了老数组，老数组的结构并没有发生变化，所以不会抛出异常了。 #### 1.6 插入的数据正好在 List 的中间，请问两种 List 分别拷贝数组几次？为什么？ 答：ArrayList 只需拷贝一次，假设插入的位置是 2，只需要把位置 2 （包含 2）后面的数据都往后移动一位即可，所以拷贝一次。 CopyOnWriteArrayList 拷贝两次，因为 CopyOnWriteArrayList 多了把老数组的数据拷贝到新数组上这一步，可能有的同学会想到这种方式：先把老数组拷贝到新数组，再把 2 后面的数据往后移动一位，这的确是一种拷贝的方式，但 CopyOnWriteArrayList 底层实现更加灵活，而是：把老数组 0 到 2 的数据拷贝到新数组上，预留出新数组 2 的位置，再把老数组 3～ 最后的数据拷贝到新数组上，这种拷贝方式可以减少我们拷贝的数据，虽然是两次拷贝，但拷贝的数据却仍然是老数组的大小，设计的非常巧妙。 ### 2 ConcurrentHashMap 相关 #### 2.1ConcurrentHashMap 和 HashMap 的相同点和不同点 答：相同点：1. 都是数组 + 链表 +红黑树的数据结构，所以基本操作的思想相同； 1. 都实现了 Map 接口，继承了 AbstractMap 抽象类，所以两者的方法大多都是相似的，可以互相切换。 不同点：1. ConcurrentHashMap 是线程安全的，在多线程环境下，无需加锁，可直接使用； 1. 数据结构上，ConcurrentHashMap 多了转移节点，主要用于保证扩容时的线程安全。 #### 2.2 ConcurrentHashMap 通过哪些手段保证了线程安全。 答：主要有以下几点： 1. 储存 Map 数据的数组被 volatile 关键字修饰，一旦被修改，立马就能通知其他线程，因为是数组，所以需要改变其内存值，才能真正的发挥出 volatile 的可见特性； 2. put 时，如果计算出来的数组下标索引没有值的话，采用无限 for 循环 + CAS 算法，来保证一定可以新增成功，又不会覆盖其他线程 put 进去的值； 3. 如果 put 的节点正好在扩容，会等待扩容完成之后，再进行 put ，保证了在扩容时，老数组的值不会发生变化； 4. 对数组的槽点进行操作时，会先锁住槽点，保证只有当前线程才能对槽点上的链表或红黑树进行操作； 5. 红黑树旋转时，会锁住根节点，保证旋转时的线程安全。 #### 2.3 描述一下 CAS 算法在 ConcurrentHashMap 中的应用？ 答：CAS 其实是一种乐观锁，一般有三个值，分别为：赋值对象，原值，新值，在执行的时候，会先判断内存中的值是否和原值相等，相等的话把新值赋值给对象，否则赋值失败，整个过程都是原子性操作，没有线程安全问题。 ConcurrentHashMap 的 put 方法中，有使用到 CAS ，是结合无限 for 循环一起使用的，步骤如下： 1. 计算出数组索引下标，拿出下标对应的原值； 2. CAS 覆盖当前下标的值，赋值时，如果发现内存值和 1 拿出来的原值相等，执行赋值，退出循环，否则不赋值，转到 3； 3. 进行下一次 for 循环，重复执行 1，2，直到成功为止。 可以看到这样做的好处，第一是不会盲目的覆盖原值，第二是一定可以赋值成功。 #### 2.4 ConcurrentHashMap 是如何发现当前槽点正在扩容的。 答：ConcurrentHashMap 新增了一个节点类型，叫做转移节点，当我们发现当前槽点是转移节点时（转移节点的 hash 值是 -1），即表示 Map 正在进行扩容。 #### 2.5 发现槽点正在扩容时，put 操作会怎么办？ 答：无限 for 循环，或者走到扩容方法中去，帮助扩容，一直等待扩容完成之后，再执行 put 操作。 #### 2.6 两种 Map 扩容时，有啥区别？ 答：区别很大，HashMap 是直接在老数据上面进行扩容，多线程环境下，会有线程安全的问题，而 ConcurrentHashMap 就不太一样，扩容过程是这样的： 1. 从数组的队尾开始拷贝； 2. 拷贝数组的槽点时，先把原数组槽点锁住，拷贝成功到新数组时，把原数组槽点赋值为转移节点； 3. 从数组的尾部拷贝到头部，每拷贝成功一次，就把原数组的槽点设置成转移节点； 4. 直到所有数组数据都拷贝到新数组时，直接把新数组整个赋值给数组容器，拷贝完成。 简单来说，通过扩容时给槽点加锁，和发现槽点正在扩容就等待的策略，保证了 ConcurrentHashMap 可以慢慢一个一个槽点的转移，保证了扩容时的线程安全，转移节点比较重要，平时问的人也比较多。 #### 2.7 ConcurrentHashMap 在 Java 7 和 8 中关于线程安全的做法有啥不同？ 答：非常不一样，拿 put 方法为例，Java 7 的做法是： 1. 把数组进行分段，找到当前 key 对应的是那一段； 2. 将当前段锁住，然后再根据 hash 寻找对应的值，进行赋值操作。 Java 7 的做法比较简单，缺点也很明显，就是当我们需要 put 数据时，我们会锁住改该数据对应的某一段，这一段数据可能会有很多，比如我只想 put 一个值，锁住的却是一段数据，导致这一段的其他数据都不能进行写入操作，大大的降低了并发性的效率。Java 8 解决了这个问题，从锁住某一段，修改成锁住某一个槽点，提高了并发效率。 不仅仅是 put，删除也是，仅仅是锁住当前槽点，缩小了锁的范围，增大了效率。 #### 3 总结 因为目前大多数公司都已经在使用 Java 8 了，所以大部分面试内容还是以 Java 8 的 API 为主，特别是 CopyOnWriteArrayList 和 ConcurrentHashMap 两个 API，文章毕竟篇幅有限，建议大家多多阅读剩余源码。