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  • Java并发编程:同步容器


    为了方便编写出线程安全的程序,Java里面提供了一些线程安全类和并发工具,比如:同步容器、并发容器、阻塞队列、Synchronizer(比如CountDownLatch)。今天我们就来讨论下同步容器。

    一、为什么会出现同步容器?


    在Java的集合容器框架中,主要有四大类别:List、Set、Queue、Map;List、Set、Queue接口分别继承了Collection接口,Map本身是一个接口

    注意Collection和Map是一个顶层接口,而List、Set、Queue则继承了Collection接口,分别代表数组、集合和队列这三大类容器

    像ArrayList、LinkedList都是实现了List接口,HashSet实现了Set接口,而Deque(双向队列,允许在队首、队尾进行入队和出队操作)继承了Queue接口,PriorityQueue实现了Queue接口。另外LinkedList(实际上是双向链表)实现了了Deque接口

    像ArrayList、LinkedList、HashMap这些容器都是非线程安全的,如果有多个线程并发地访问这些容器时,就会出现问题

    因此,在编写程序时,必须要求程序员手动地在任何访问到这些容器的地方进行同步处理,这样导致在使用这些容器的时候非常地不方便,所以,Java提供了同步容器供用户使用

    二、Java中的同步容器类


    在Java中,同步容器主要包括2类:

    1)Vector、Stack、HashTable
    2)Collections类中提供的静态工厂方法创建的类

    Vector实现了List接口,Vector实际上就是一个数组,和ArrayList类似,但是Vector中的方法都是synchronized方法,即进行了同步措施

    Stack也是一个同步容器,它的方法也用synchronized进行了同步,它实际上是继承于Vector类

    HashTable实现了Map接口,它和HashMap很相似,但是HashTable进行了同步处理,而HashMap没有
      
    Collections类是一个工具提供类,注意,它和Collection不同,Collection是一个顶层的接口。在Collections类中提供了大量的方法,比如对集合或者容器进行排序、查找等操作。最重要的是,在它里面提供了几个静态工厂方法来创建同步容器类,如下图所示:


    三、同步容器的缺陷


    从同步容器的具体实现源码可知,同步容器中的方法采用了synchronized进行了同步,那么很显然,这必然会影响到执行性能,另外,同步容器就一定是真正地完全线程安全吗?不一定,这个在下面会讲到

    我们首先来看一下传统的非同步容器和同步容器的性能差异,我们以ArrayList和Vector为例:

    1、性能问题

    我们先通过一个例子看一下Vector和ArrayList在插入数据时性能上的差异:

    publicclassTest {
       publicstaticvoidmain(String[] args) throws InterruptedException {
           ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
           Vector<Integer> vector = new Vector<Integer>();
           long start = System.currentTimeMillis();
           for(int i=0;i<100000;i++)
               list.add(i);
           long end = System.currentTimeMillis();
           System.out.println(“ArrayList进行100000次插入操作耗时:”+(end-start)+“ms”);
           start = System.currentTimeMillis();
           for(int i=0;i<100000;i++)
               vector.add(i);
           end = System.currentTimeMillis();
           System.out.println(“Vector进行100000次插入操作耗时:”+(end-start)+“ms”);
       }

    }


    这段代码在我机器上跑出来的结果是:


    进行同样多的插入操作,Vector的耗时是ArrayList的两倍

    这只是其中的一方面性能问题上的反映。

    另外,由于Vector中的add方法和get方法都进行了同步,因此,在有多个线程进行访问时,如果多个线程都只是进行读取操作,那么每个时刻就只能有一个线程进行读取,其他线程便只能等待,这些线程必须竞争同一把锁。

    因此为了解决同步容器的性能问题,在Java 1.5中提供了并发容器,位于java.util.concurrent目录下。

    2、同步容器真的是安全的吗?

    也有有人认为Vector中的方法都进行了同步处理,那么一定就是线程安全的,事实上这可不一定。看下面这段代码:

    publicclassTest {
       static Vector<Integer> vector = new Vector<Integer>();
       publicstaticvoidmain(String[] args) throws InterruptedException {
           while(true) {
               for(int i=0;i<10;i++)
                   vector.add(i);
               Thread thread1 = new Thread(){
                   publicvoid run() {
                       for(int i=0;i<vector.size();i++)
                           vector.remove(i);
                   };
               };
               Thread thread2 = new Thread(){
                   publicvoid run() {
                       for(int i=0;i<vector.size();i++)
                           vector.get(i);
                   };
               };
               thread1.start();
               thread2.start();
               while(Thread.activeCount()>10)   {
                   
               }
           }
       }
    }

    在我机器上运行的结果:


    正如大家所看到的,这段代码报错了:数组下标越界

    也许有朋友会问:Vector是线程安全的,为什么还会报这个错?很简单,对于Vector,虽然能保证每一个时刻只能有一个线程访问它,但是不排除这种可能:

    当某个线程在某个时刻执行这句时:

    for(int i=0;i<vector.size();i++)
       vector.get(i);

    假若此时vector的size方法返回的是10,i的值为9,然后另外一个线程执行了这句:

    for(int i=0;i<vector.size();i++)
       vector.remove(i);

    将下标为9的元素删除了,那么通过get方法访问下标为9的元素肯定就会出问题了。因此为了保证线程安全,必须在方法调用端做额外的同步措施,如下面所示:

    publicclassTest {
       static Vector<Integer> vector = new Vector<Integer>();
       publicstaticvoidmain(String[] args) throws InterruptedException {
           while(true) {
               for(int i=0;i<10;i++)
                   vector.add(i);
               Thread thread1 = new Thread(){
                   publicvoid run() {
                       synchronized (Test.class) {   //进行额外的同步
                           for(int i=0;i<vector.size();i++)
                               vector.remove(i);
                       }
                   };
               };
               Thread thread2 = new Thread(){
                   publicvoid run() {
                       synchronized (Test.class) {
                           for(int i=0;i<vector.size();i++)
                               vector.get(i);
                       }
                   };
               };
               thread1.start();
               thread2.start();
               while(Thread.activeCount()>10)   {
                   
               }
           }
       }
    }

    3、ConcurrentModificationException异常

    在对Vector等容器并发地进行迭代修改时,会报ConcurrentModificationException异常,但是在并发容器中不会出现这个问题。

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