Java并發(fā)編程之同步容器
簡介
同步容器主要分兩類,一種是Vector這樣的普通類,一種是通過Collections的工廠方法創(chuàng)建的內部類
雖然很多人都對同步容器的性能低有偏見,但它也不是一無是處,在這里我們插播一條阿里巴巴的開發(fā)手冊規(guī)范:
高并發(fā)時,同步調用應該去考量鎖的性能損耗。能用無鎖數(shù)據(jù)結構,就不要用鎖;能鎖區(qū)塊,就不要鎖整個方法體;能用對象鎖,就不要用類鎖。
可以看到,只有在高并發(fā)才會考慮到鎖的性能問題,所以在一些小而全的系統(tǒng)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(jié)再討論)
一、什么是同步容器
定義:就是把容器類同步化,這樣我們在并發(fā)中使用容器時,就不用手動同步,因為內部已經(jīng)自動同步了
例子:比如Vector就是一個同步容器類,它的同步化就是把內部的所有方法都上鎖(有的重載方法沒上鎖,但是最終調用的方法還是有鎖的)
源碼:Vector.add
// 通過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:
1.普通類:Vector、Stack、HashTable
2.內部類:Collections創(chuàng)建的內部類,比如Collections.SynchronizedList、 Collections.SynchronizedSet等
那這兩種有沒有區(qū)別呢?
當然是有的,剛開始的時候(Java1.0)只有第一種同步容器(Vector等)
但是因為Vector這種類太局氣了,它就想著把所有的東西都弄過來自己搞(Vector通過toArray轉為己有,HashTable通過putAll轉為己有);
源碼:Vector構造函數(shù)
public Vector(Collection<? extends E> c) {
// 這里通過toArray將傳來的集合 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(通過工廠方法創(chuàng)建的內部容器類),它就比較聰明了,它只是把原有的容器進行包裝(通過this.list = list直接指向需要同步的容器),然后局部加鎖,這樣一來,即生成了線程安全的類,又不用太費力;
源碼:Collections.SynchronizedList構造函數(shù)
SynchronizedList(List<E> list) {
super(list);
// 這里只是指向傳來的list,不轉為己有,后面的相關操作還是基于原有的list集合
this.list = list;
}
他們之間的區(qū)別如下:
| 兩種同步容器的區(qū)別 | 普通類 | 內部類 |
| 鎖的對象 | 不可指定,只能this | 可指定,默認this |
| 鎖的范圍 | 方法體(包括迭代) | 代碼塊(不包括迭代) |
| 適用范圍 | 窄-個別容器 | 廣-所有容器 |
這里我們重點說下鎖的對象:
- 普通類鎖的是當前對象this(鎖在方法上,默認this對象);
- 內部類鎖的是mutex屬性,這個屬性默認是this,但是可以通過構造函數(shù)(或工廠方法)來指定鎖的對象
源碼:Collections.SynchronizedCollection構造函數(shù)
final Collection<E> c; // Backing Collection
// 這個就是鎖的對象
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);
}
這里要注意一點就是,內部類的迭代器沒有同步(Vector的迭代器有同步),需要手動加鎖來同步
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(沒上鎖)
public Iterator<E> iterator() {
// 這里會直接實現(xiàn)類的迭代器(比如ArrayList,它里面的迭代器肯定是沒上鎖的)
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(比如ArrayList)是線程不安全的,如果是在并發(fā)中使用,我們就需要手動對其加鎖才會安全,這樣的話就很麻煩;
所以就有了同步容器,它來幫我們自動加鎖
下面我們用代碼來對比下
線程不安全的類: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個線程
for (int i = 0; i < 10; i++) {
// 每個線程執(zhí)行100次添加操作
new Thread(()->{
for (int j = 0; j < 1000; j++) {
demo.addNoSync(j);
}
}).start();
}
}
}
上面的代碼看似沒問題,感覺就算有問題也應該是插入的順序比較亂(多線程交替插入)
但實際上運行會發(fā)現(xiàn),可能會報錯數(shù)組越界,如下所示:

原因有二:
因為ArrayList.add操作沒有加鎖,導致多個線程可以同時執(zhí)行add操作add操作時,如果發(fā)現(xiàn)list的容量不足,會進行擴容,但是由于多個線程同時擴容,就會出現(xiàn)擴容不足的問題
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行的,因此如果多個線程同時擴容,那擴容基數(shù)就不準確了,結果就會有問題
線程安全的類:Collections.SynchronizedList
/**
* <p>
* 同步容器類: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(xiàn)在ArrayList被Collections包裝成了一個線程安全的類
這就是為啥會有同步容器的原因:因為同步容器使得并發(fā)編程時,線程更加安全
三、同步容器的優(yōu)缺點
一般來說,都是先說優(yōu)點,再說缺點
但是我們這次先說優(yōu)點
優(yōu)點:
- 并發(fā)編程中,獨立操作是線程安全的,比如單獨的add操作
缺點(是的,優(yōu)點已經(jīng)說完了):
- 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,不可放過一個”
- 復合操作,還是不安全,比如putIfAbsent操作(如果沒有則添加)
- 快速失敗機制,這種機制會報錯提示
ConcurrentModificationException,一般出現(xiàn)在當某個線程在遍歷容器時,其他線程恰好修改了這個容器的長度
為啥第三點是缺點呢?
因為它只能作為一個建議,告訴我們有并發(fā)修改異常,但是不能保證每個并發(fā)修改都會爆出這個異常
爆出這個異常的前提如下:
源碼:Vector.Itr.checkForComodification 檢查容器修改次數(shù)
final void checkForComodification() {
// modCount:容器的長度變化次數(shù), expectedModCount:期望的容器的長度變化次數(shù)
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
那什么情況下并發(fā)修改不會爆出異常呢?有兩種:
1.遍歷沒加鎖的情況:對于第二種同步容器(Collections內部類)來說,假設線程A修改了modCount的值,但是沒有同步到線程B,那么線程B遍歷就不會發(fā)生異常(但實際上問題已經(jīng)存在了,只是暫時沒有出現(xiàn))
2.依賴線程執(zhí)行順序的情況:對于所有的同步容器來說,假設線程B已經(jīng)遍歷完了容器,此時線程A才開始遍歷修改,那么也不會發(fā)生異常
代碼就不貼了,大家感興趣的可以直接寫幾個線程遍歷試試,多運行幾次,應該就可以看到效果(不過第一種情況也是基于理論分析,實際代碼我這邊也沒跑出來)
根據(jù)阿里巴巴的開發(fā)規(guī)范:不要在 foreach 循環(huán)里進行元素的 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,關于List.remove和Iterator.remove的區(qū)別
- Iterator.remove:會同步修改expectedModCount=modCount
- list.remove:只會修改modCount,因為expectedModCount屬于iterator對象的屬性,不屬于list的屬性(但是也可以間接訪問)
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,于是就有了并發(fā)容器(下期來介紹)
四、同步容器的使用場景
多用在并發(fā)編程,但是并發(fā)量又不是很大的場景,比如一些簡單的個人博客系統(tǒng)(具體多少并發(fā)量算大,這個也是分很多情況而論的,并不是說每秒處理超過多少個請求,就說是高并發(fā),還要結合吞吐量、系統(tǒng)響應時間等多個因素一起考慮)
具體點來說的話,有以下幾個場景:
- 寫多讀少,這個時候同步容器和并發(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復合操作)
- 等等
總結
什么是同步容器:就是把容器類同步化,這樣我們在并發(fā)中使用容器時,就不用手動同步,因為內部已經(jīng)自動同步了
為什么要有同步容器:因為普通的容器類(比如ArrayList)是線程不安全的,如果是在并發(fā)中使用,我們就需要手動對其加鎖才會安全,這樣的話就很太麻煩;所以就有了同步容器,它來幫我們自動加鎖
同步容器的優(yōu)缺點:
缺點 復合操作,還是不安全,性能差快速失敗機制,只適合bug調試
同步容器的使用場景
多用在并發(fā)量不是很大的場景,比如個人博客、后臺系統(tǒng)等
具體點來說,有以下幾個場景:
- 寫多讀少:這個時候同步容器和并發(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操作進行上鎖的,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Java同步容器內容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家!
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