Java并發(fā)編程之同步容器

目錄

簡(jiǎn)介

同步容器主要分兩類(lèi)，一種是Vector這樣的普通類(lèi)，一種是通過(guò)Collections的工廠(chǎng)方法創(chuàng )建的內部類(lèi)

雖然很多人都對同步容器的性能低有偏見(jiàn)，但它也不是一無(wú)是處，在這里我們插播一條阿里巴巴的開(kāi)發(fā)手冊規范：

高并發(fā)時(shí)，同步調用應該去考量鎖的性能損耗。能用無(wú)鎖數據結構，就不要用鎖；能鎖區塊，就不要鎖整個(gè)方法體；能用對象鎖，就不要用類(lèi)鎖。

可以看到，只有在高并發(fā)才會(huì )考慮到鎖的性能問(wèn)題，所以在一些小而全的系統中，同步容器還是有用武之地的（當然也可以考慮并發(fā)容器，后面章節再討論）

一、什么是同步容器

定義：就是把容器類(lèi)同步化，這樣我們在并發(fā)中使用容器時(shí)，就不用手動(dòng)同步，因為內部已經(jīng)自動(dòng)同步了

例子：比如Vector就是一個(gè)同步容器類(lèi)，它的同步化就是把內部的所有方法都上鎖（有的重載方法沒(méi)上鎖，但是最終調用的方法還是有鎖的）

源碼：Vector.add

// 通過(guò)synchronized為add方法上鎖
public synchronized boolean add(E e) {
  modCount++;
  ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
  elementData[elementCount++] = e;
  return true;
}

同步容器主要分兩類(lèi)：

1.普通類(lèi)：Vector、Stack、HashTable

2.內部類(lèi)：Collections創(chuàng )建的內部類(lèi)，比如Collections.SynchronizedList、 Collections.SynchronizedSet等

那這兩種有沒(méi)有區別呢？

當然是有的，剛開(kāi)始的時(shí)候(Java1.0)只有第一種同步容器(Vector等)

但是因為Vector這種類(lèi)太局氣了，它就想著(zhù)把所有的東西都弄過(guò)來(lái)自己搞(Vector通過(guò)toArray轉為己有,HashTable通過(guò)putAll轉為己有）；

源碼：Vector構造函數

public Vector(Collection<? extends E> c) {
	// 這里通過(guò)toArray將傳來(lái)的集合 轉為己有
  elementData = c.toArray();
  elementCount = elementData.length;
  // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
  if (elementData.getClass() != Object[].class)
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, elementCount, Object[].class);
}

所以就有了第二種同步容器類(lèi)(通過(guò)工廠(chǎng)方法創(chuàng )建的內部容器類(lèi))，它就比較聰明了，它只是把原有的容器進(jìn)行包裝（通過(guò)this.list = list直接指向需要同步的容器)，然后局部加鎖，這樣一來(lái)，即生成了線(xiàn)程安全的類(lèi)，又不用太費力；

源碼：Collections.SynchronizedList構造函數

SynchronizedList(List<E> list) {
  super(list);
  // 這里只是指向傳來(lái)的list，不轉為己有，后面的相關(guān)操作還是基于原有的list集合
  this.list = list;
}

他們之間的區別如下：

這里我們重點(diǎn)說(shuō)下鎖的對象：

• 普通類(lèi)鎖的是當前對象this（鎖在方法上，默認this對象）；
• 內部類(lèi)鎖的是mutex屬性，這個(gè)屬性默認是this，但是可以通過(guò)構造函數（或工廠(chǎng)方法）來(lái)指定鎖的對象

源碼：Collections.SynchronizedCollection構造函數

final Collection<E> c;  // Backing Collection
// 這個(gè)就是鎖的對象
final Object mutex;     // Object on which to synchronize

SynchronizedCollection(Collection<E> c) {
  this.c = Objects.requireNonNull(c);
// 初始化為 this
  mutex = this;
}

SynchronizedCollection(Collection<E> c, Object mutex) {
  this.c = Objects.requireNonNull(c);
  this.mutex = Objects.requireNonNull(mutex);
}

這里要注意一點(diǎn)就是，內部類(lèi)的迭代器沒(méi)有同步(Vector的迭代器有同步），需要手動(dòng)加鎖來(lái)同步

源碼：Vector.Itr.next 迭代方法（有上鎖）

public E next() {
  synchronized (Vector.this) {
    checkForComodification();
    int i = cursor;
    if (i >= elementCount)
      throw new NoSuchElementException();
    cursor = i + 1;
    return elementData(lastRet = i);
  }
}

源碼：Collections.SynchronizedCollection.iterator 迭代器（沒(méi)上鎖）

public Iterator<E> iterator() {
  // 這里會(huì )直接實(shí)現類(lèi)的迭代器（比如ArrayList，它里面的迭代器肯定是沒(méi)上鎖的）
  return c.iterator(); // Must be manually synched by user!
}

二、為什么要有同步容器

因為普通的容器類(lèi)（比如ArrayList)是線(xiàn)程不安全的，如果是在并發(fā)中使用，我們就需要手動(dòng)對其加鎖才會(huì )安全，這樣的話(huà)就很麻煩；

所以就有了同步容器，它來(lái)幫我們自動(dòng)加鎖

下面我們用代碼來(lái)對比下

線(xiàn)程不安全的類(lèi)：ArrayList

public class SyncCollectionDemo {
    
    private List<Integer> listNoSync;

    public SyncCollectionDemo() {
        this.listNoSync = new ArrayList<>();
    }

    public void addNoSync(int temp){
        listNoSync.add(temp);
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SyncCollectionDemo demo = new SyncCollectionDemo();
				// 創(chuàng  )建10個(gè)線(xiàn)程
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
					// 每個(gè)線(xiàn)程執行100次添加操作
          new Thread(()->{
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    demo.addNoSync(j);
                }
            }).start();
        }
    }
}

上面的代碼看似沒(méi)問(wèn)題，感覺(jué)就算有問(wèn)題也應該是插入的順序比較亂（多線(xiàn)程交替插入）

但實(shí)際上運行會(huì )發(fā)現，可能會(huì )報錯數組越界，如下所示：

原因有二：

因為ArrayList.add操作沒(méi)有加鎖，導致多個(gè)線(xiàn)程可以同時(shí)執行add操作add操作時(shí)，如果發(fā)現list的容量不足，會(huì )進(jìn)行擴容，但是由于多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)擴容，就會(huì )出現擴容不足的問(wèn)題

源碼：ArrayList.grow擴容

// 擴容方法
private void grow(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
				// 這里可以看到，每次擴容增加一半的容量
  			int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }

可以看到，擴容是基于之前的容量進(jìn)行的，因此如果多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)擴容，那擴容基數就不準確了，結果就會(huì )有問(wèn)題

線(xiàn)程安全的類(lèi)：Collections.SynchronizedList

/**
 * <p>
 *  同步容器類(lèi)：為什么要有它
 * </p>
 *
 * @author: JavaLover
 * @time: 2021/5/3
 */
public class SyncCollectionDemo {

    private List<Integer> listSync;

    public SyncCollectionDemo() {
      	// 這里包裝一個(gè)空的ArrayList
        this.listSync = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
    }

    public void addSync(int j){
      	// 內部是同步操作: synchronized (mutex) {return c.add(e);}
        listSync.add(j);
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SyncCollectionDemo demo = new SyncCollectionDemo();

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(()->{
                for (int j = 0; j < 100; j++) {
                    demo.addSync(j);
                }
            }).start();
        }

        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
      	// 輸出1000
        System.out.println(demo.listSync.size());
    }
}

輸出正確，因為現在A(yíng)rrayList被Collections包裝成了一個(gè)線(xiàn)程安全的類(lèi)

這就是為啥會(huì )有同步容器的原因：因為同步容器使得并發(fā)編程時(shí)，線(xiàn)程更加安全

三、同步容器的優(yōu)缺點(diǎn)

一般來(lái)說(shuō)，都是先說(shuō)優(yōu)點(diǎn)，再說(shuō)缺點(diǎn)

但是我們這次先說(shuō)優(yōu)點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

• 并發(fā)編程中，獨立操作是線(xiàn)程安全的，比如單獨的add操作

缺點(diǎn)（是的，優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)說(shuō)完了）：

• 性能差，基本上所有方法都上鎖，完美的詮釋了“寧可錯殺一千，不可放過(guò)一個(gè)”
• 復合操作，還是不安全，比如putIfAbsent操作（如果沒(méi)有則添加）
• 快速失敗機制，這種機制會(huì )報錯提示ConcurrentModificationException，一般出現在當某個(gè)線(xiàn)程在遍歷容器時(shí)，其他線(xiàn)程恰好修改了這個(gè)容器的長(cháng)度

為啥第三點(diǎn)是缺點(diǎn)呢？

因為它只能作為一個(gè)建議，告訴我們有并發(fā)修改異常，但是不能保證每個(gè)并發(fā)修改都會(huì )爆出這個(gè)異常

爆出這個(gè)異常的前提如下：

源碼：Vector.Itr.checkForComodification 檢查容器修改次數

final void checkForComodification() {
  // modCount：容器的長(cháng)度變化次數， expectedModCount：期望的容器的長(cháng)度變化次數
  if (modCount != expectedModCount)
    throw new ConcurrentModificationException();
}

那什么情況下并發(fā)修改不會(huì )爆出異常呢？有兩種：

1.遍歷沒(méi)加鎖的情況：對于第二種同步容器(Collections內部類(lèi))來(lái)說(shuō)，假設線(xiàn)程A修改了modCount的值，但是沒(méi)有同步到線(xiàn)程B，那么線(xiàn)程B遍歷就不會(huì )發(fā)生異常（但實(shí)際上問(wèn)題已經(jīng)存在了，只是暫時(shí)沒(méi)有出現）

2.依賴(lài)線(xiàn)程執行順序的情況：對于所有的同步容器來(lái)說(shuō)，假設線(xiàn)程B已經(jīng)遍歷完了容器，此時(shí)線(xiàn)程A才開(kāi)始遍歷修改，那么也不會(huì )發(fā)生異常

代碼就不貼了，大家感興趣的可以直接寫(xiě)幾個(gè)線(xiàn)程遍歷試試，多運行幾次，應該就可以看到效果(不過(guò)第一種情況也是基于理論分析，實(shí)際代碼我這邊也沒(méi)跑出來(lái))

根據阿里巴巴的開(kāi)發(fā)規范：不要在 foreach 循環(huán)里進(jìn)行元素的 remove/add 操作。remove 元素請使用 Iterator方式，如果并發(fā)操作，需要對 Iterator 對象加鎖。

這里解釋下，關(guān)于List.remove和Iterator.remove的區別

• Iterator.remove：會(huì )同步修改expectedModCount=modCount
• list.remove：只會(huì )修改modCount，因為expectedModCount屬于iterator對象的屬性，不屬于list的屬性（但是也可以間接訪(fǎng)問(wèn)）

源碼：ArrayList.remove移除元素操作

public E remove(int index) {
        rangeCheck(index);
				// 1. 這里修改了 modCount
        modCount++;
        E oldValue = elementData(index);

        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

        return oldValue;
    }

源碼：ArrayList.Itr.remove迭代器移除元素操作

public void remove() {
            if (lastRet < 0)
                throw new IllegalStateException();
            checkForComodification();

            try {
              	// 1. 這里調用上面介紹的list.romove，修改modCount
                ArrayList.this.remove(lastRet);
                cursor = lastRet;
                lastRet = -1;
              	// 2. 這里再同步更新 expectedModCount
                expectedModCount = modCount;
            } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }

由于同步容器的這些缺點(diǎn)，于是就有了并發(fā)容器（下期來(lái)介紹）

四、同步容器的使用場(chǎng)景

多用在并發(fā)編程，但是并發(fā)量又不是很大的場(chǎng)景，比如一些簡(jiǎn)單的個(gè)人博客系統（具體多少并發(fā)量算大，這個(gè)也是分很多情況而論的，并不是說(shuō)每秒處理超過(guò)多少個(gè)請求，就說(shuō)是高并發(fā)，還要結合吞吐量、系統響應時(shí)間等多個(gè)因素一起考慮）

具體點(diǎn)來(lái)說(shuō)的話(huà)，有以下幾個(gè)場(chǎng)景：

• 寫(xiě)多讀少，這個(gè)時(shí)候同步容器和并發(fā)容器的性能差別不大（并發(fā)容器可以并發(fā)讀）
• 自定義的復合操作，比如getLast等操作（putIfAbsent就算了，因為并發(fā)容器有默認提供這個(gè)復合操作）
• 等等

總結

什么是同步容器：就是把容器類(lèi)同步化，這樣我們在并發(fā)中使用容器時(shí)，就不用手動(dòng)同步，因為內部已經(jīng)自動(dòng)同步了

為什么要有同步容器：因為普通的容器類(lèi)（比如ArrayList)是線(xiàn)程不安全的，如果是在并發(fā)中使用，我們就需要手動(dòng)對其加鎖才會(huì )安全，這樣的話(huà)就很太麻煩；所以就有了同步容器，它來(lái)幫我們自動(dòng)加鎖

同步容器的優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn) 獨立操作，線(xiàn)程安全

缺點(diǎn) 復合操作，還是不安全，性能差快速失敗機制，只適合bug調試

同步容器的使用場(chǎng)景

多用在并發(fā)量不是很大的場(chǎng)景，比如個(gè)人博客、后臺系統等

具體點(diǎn)來(lái)說(shuō)，有以下幾個(gè)場(chǎng)景：

• 寫(xiě)多讀少：這個(gè)時(shí)候同步容器和并發(fā)容器差別不是很大
• 自定義復合操作：比如getLast等復合操作，因為同步容器都是單個(gè)操作進(jìn)行上鎖的，所以可以很方便地去拼接復合操作（記得外部加鎖）

到此這篇關(guān)于Java并發(fā)編程之同步容器的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java同步容器內容請搜索腳本之家以前的文章或繼續瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！