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Java集合之同步容器詳解

 更新時間:2022年08月10日 11:01:06   作者:王廷云的博客  
這篇文章主要為大家詳細介紹了Java集合之同步容器,文中示例代碼介紹的非常詳細,具有一定的參考價值,感興趣的小伙伴們可以參考一下

為了方便編寫出線程安全的程序,Java里面提供了一些線程安全類和并發(fā)工具,比如:同步容器、并發(fā)容器、阻塞隊列等。

最常見的同步容器就是Vector和Hashtable了,那么,同步容器的所有操作都是線程安全的嗎?下面我們來一一分析這個問題。

同步容器

在Java中,同步容器主要包括2類:

  • Vector、Stack、HashTable
  • Collections類中提供的靜態(tài)工廠方法創(chuàng)建的類

我們以相對簡單的Vecotr來舉例,我們先來看下Vector中幾個重要方法的源碼:

public synchronized boolean add(E e) {
? ? modCount++;
? ? ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
? ? elementData[elementCount++] = e;
? ? return true;
}

public synchronized E remove(int index) {
? ? modCount++;
? ? if (index >= elementCount)
? ? ? ? throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
? ? E oldValue = elementData(index);

? ? int numMoved = elementCount - index - 1;
? ? if (numMoved > 0)
? ? ? ? System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?numMoved);
? ? elementData[--elementCount] = null; // Let gc do its work

? ? return oldValue;
}

public synchronized E get(int index) {
? ? if (index >= elementCount)
? ? ? ? throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);

? ? return elementData(index);
}

可以看到,Vector這樣的同步容器的所有公有方法全都是synchronized的,也就是說,我們可以在多線程場景中放心的使用單獨這些方法,因為這些方法本身的確是線程安全的。

但是,請注意上面這句話中,有一個比較關(guān)鍵的詞:單獨

因為,雖然同步容器的所有方法都加了鎖,但是對這些容器的復(fù)合操作無法保證其線程安全性。需要客戶端通過主動加鎖來保證。

簡單舉一個例子,我們定義如下刪除Vector中最后一個元素方法:

public Object deleteLast(Vector v){
? ? int lastIndex ?= v.size()-1;
? ? v.remove(lastIndex);
}

上面這個方法是一個復(fù)合方法,包括 size()和 remove(),看上去好像并沒有什么問題,無論是size()方法還是remove()方法都是線程安全的,那么整個deleteLast方法應(yīng)該也是線程安全的。

但是,如果多線程調(diào)用該方法的過程中,remove方法有可能拋出ArrayIndexOutOfBoundsException:

Exception in thread "Thread-1" java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: Array index out of range: 879
? ? at java.util.Vector.remove(Vector.java:834)
? ? at com.hollis.Test.deleteLast(EncodeTest.java:40)
? ? at com.hollis.Test$2.run(EncodeTest.java:28)
? ? at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

我們上面貼了remove的源碼,我們可以分析得出:當(dāng)index >= elementCount時,會拋出ArrayIndexOutOfBoundsException ,也就是說,當(dāng)當(dāng)前索引值不再有效的時候,將會拋出這個異常。

因為removeLast方法,有可能被多個線程同時執(zhí)行,當(dāng)線程2通過index()獲得索引值為10,在嘗試通過remove()刪除該索引位置的元素之前,線程1把該索引位置的值刪除掉了,這時線程一在執(zhí)行時便會拋出異常。

為了避免出現(xiàn)類似問題,可以嘗試加鎖:

public void deleteLast() {
? ? synchronized (v) {
? ? ? ? int index = v.size() - 1;
? ? ? ? v.remove(index);
? ? }
}

如上,我們在deleteLast中,對v進行加鎖,即可保證同一時刻,不會有其他線程刪除掉v中的元素。

另外,如果以下代碼會被多線程執(zhí)行時,也要特別注意:

for (int i = 0; i < v.size(); i++) {
? ? v.remove(i);
}

由于,不同線程在同一時間操作同一個Vector,其中包括刪除操作,那么就同樣有可能發(fā)生線程安全問題。所以,在使用同步容器的時候,如果涉及到多個線程同時執(zhí)行刪除操作,就要考慮下是否需要加鎖。

同步容器的問題

前面說過了,同步容器直接保證單個操作的線程安全性,但是無法保證復(fù)合操作的線程安全,遇到這種情況時,必須要通過主動加鎖的方式來實現(xiàn)。

而且,除此之外,由于所有方法都加了鎖,這就導(dǎo)致多個線程訪問同一個容器的時候,只能進行順序訪問,即使是不同的操作,也要排隊,如get和add要排隊執(zhí)行。這就大大的降低了容器的并發(fā)能力。

并發(fā)容器

針對前文提到的同步容器存在的并發(fā)度低問題,從Java5開始,java.util.concurent包下,提供了大量支持高效并發(fā)的訪問的集合類,我們稱之為并發(fā)容器。

針對前面提到的同步容器的復(fù)合操作的問題,一般在 Map 中發(fā)生的比較多,所以在ConcurrentHashMap中增加了對常用復(fù)合操作的支持,比如putIfAbsent()、replace(),這2個操作都是原子操作,可以保證線程安全。

另外,并發(fā)包中的CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet是Copy-On-Write的兩種實現(xiàn)。

Copy-On-Write容器即寫時復(fù)制的容器。通俗的理解是當(dāng)我們往一個容器添加元素的時候,不直接往當(dāng)前容器添加,而是先將當(dāng)前容器進行Copy,復(fù)制出一個新的容器,然后新的容器里添加元素,添加完元素之后,再將原容器的引用指向新的容器。

CopyOnWriteArrayList中add/remove等寫方法是需要加鎖的,而讀方法是沒有加鎖的。

這樣做的好處是我們可以對CopyOnWrite容器進行并發(fā)的讀,當(dāng)然,這里讀到的數(shù)據(jù)可能不是最新的。因為寫時復(fù)制的思想是通過延時更新的策略來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的最終一致性的,并非強一致性。

但是,作為代替Vector的CopyOnWriteArrayList并沒有解決同步容器的復(fù)合操作的線程安全性問題。

以上就是本文的全部內(nèi)容,希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助,也希望大家多多支持腳本之家。

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