Java并發(fā)編程：同步容器
Java并發(fā)編程：同步容器
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(duì)列、Synchronizer（比如CountDownLatch）。今天我們就來討論下同步容器。
以下是本文的目錄大綱：
一.為什么會(huì)出現(xiàn)同步容器？
二.Java中的同步容器類
三.同步容器的缺陷
若有不正之處請(qǐng)多多諒解，并歡迎批評(píng)指正。
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一.為什么會(huì)出現(xiàn)同步容器？
在Java的集合容器框架中，主要有四大類別：List、Set、Queue、Map。
List、Set、Queue接口分別繼承了Collection接口，Map本身是一個(gè)接口。
注意Collection和Map是一個(gè)頂層接口，而List、Set、Queue則繼承了Collection接口，分別代表數(shù)組、集合和隊(duì)列這三大類容器。
像ArrayList、LinkedList都是實(shí)現(xiàn)了List接口，HashSet實(shí)現(xiàn)了Set接口，而Deque（雙向隊(duì)列，允許在隊(duì)首、隊(duì)尾進(jìn)行入隊(duì)和出隊(duì)操作）繼承了Queue接口，PriorityQueue實(shí)現(xiàn)了Queue接口。另外LinkedList（實(shí)際上是雙向鏈表）實(shí)現(xiàn)了了Deque接口。
像ArrayList、LinkedList、HashMap這些容器都是非線程安全的。
如果有多個(gè)線程并發(fā)地訪問這些容器時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)問題。
因此，在編寫程序時(shí)，必須要求程序員手動(dòng)地在任何訪問到這些容器的地方進(jìn)行同步處理，這樣導(dǎo)致在使用這些容器的時(shí)候非常地不方便。
所以，Java提供了同步容器供用戶使用。
二.Java中的同步容器類
在Java中，同步容器主要包括2類：
1）Vector、Stack、HashTable
2）Collections類中提供的靜態(tài)工廠方法創(chuàng)建的類
Vector實(shí)現(xiàn)了List接口，Vector實(shí)際上就是一個(gè)數(shù)組，和ArrayList類似，但是Vector中的方法都是synchronized方法，即進(jìn)行了同步措施。
Stack也是一個(gè)同步容器，它的方法也用synchronized進(jìn)行了同步，它實(shí)際上是繼承于Vector類。
HashTable實(shí)現(xiàn)了Map接口，它和HashMap很相似，但是HashTable進(jìn)行了同步處理，而HashMap沒有。
Collections類是一個(gè)工具提供類，注意，它和Collection不同，Collection是一個(gè)頂層的接口。在Collections類中提供了大量的方法，比如對(duì)集合或者容器進(jìn)行排序、查找等操作。最重要的是，在它里面提供了幾個(gè)靜態(tài)工廠方法來創(chuàng)建同步容器類，如下圖所示：
三.同步容器的缺陷
從同步容器的具體實(shí)現(xiàn)源碼可知，同步容器中的方法采用了synchronized進(jìn)行了同步，那么很顯然，這必然會(huì)影響到執(zhí)行性能，另外，同步容器就一定是真正地完全線程安全嗎？不一定，這個(gè)在下面會(huì)講到。
我們首先來看一下傳統(tǒng)的非同步容器和同步容器的性能差異，我們以ArrayList和Vector為例：
1.性能問題
我們先通過一個(gè)例子看一下Vector和ArrayList在插入數(shù)據(jù)時(shí)性能上的差異：
public class Test {
public static void main(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進(jìn)行100000次插入操作耗時(shí)："+(end-start)+"ms");
start = System.currentTimeMillis();
for(int i=0;i<100000;i++)
vector.add(i);
end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("Vector進(jìn)行100000次插入操作耗時(shí)："+(end-start)+"ms");
}
}
這段代碼在我機(jī)器上跑出來的結(jié)果是：
進(jìn)行同樣多的插入操作，Vector的耗時(shí)是ArrayList的兩倍。
這只是其中的一方面性能問題上的反映。
另外，由于Vector中的add方法和get方法都進(jìn)行了同步，因此，在有多個(gè)線程進(jìn)行訪問時(shí)，如果多個(gè)線程都只是進(jìn)行讀取操作，那么每個(gè)時(shí)刻就只能有一個(gè)線程進(jìn)行讀取，其他線程便只能等待，這些線程必須競爭同一把鎖。
因此為了解決同步容器的性能問題，在Java 1.5中提供了并發(fā)容器，位于java.util.concurrent目錄下，并發(fā)容器的相關(guān)知識(shí)將在下一篇文章中講述。
2.同步容器真的是安全的嗎？
也有有人認(rèn)為Vector中的方法都進(jìn)行了同步處理，那么一定就是線程安全的，事實(shí)上這可不一定。看下面這段代碼：
public class Test {
static Vector<Integer> vector = new Vector<Integer>();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
while(true) {
for(int i=0;i<10;i++)
vector.add(i);
Thread thread1 = new Thread(){
public void run() {
for(int i=0;i<vector.size();i++)
vector.remove(i);
};
};
Thread thread2 = new Thread(){
public void run() {
for(int i=0;i<vector.size();i++)
vector.get(i);
};
};
thread1.start();
thread2.start();
while(Thread.activeCount()>10) {
}
}
}
}
在我機(jī)器上運(yùn)行的結(jié)果：
正如大家所看到的，這段代碼報(bào)錯(cuò)了：數(shù)組下標(biāo)越界。
也許有朋友會(huì)問：Vector是線程安全的，為什么還會(huì)報(bào)這個(gè)錯(cuò)？很簡單，對(duì)于Vector，雖然能保證每一個(gè)時(shí)刻只能有一個(gè)線程訪問它，但是不排除這種可能：
當(dāng)某個(gè)線程在某個(gè)時(shí)刻執(zhí)行這句時(shí)：
for(int i=0;i<vector.size();i++) vector.get(i);
假若此時(shí)vector的size方法返回的是10，i的值為9
然后另外一個(gè)線程執(zhí)行了這句：
for(int i=0;i<vector.size();i++) vector.remove(i);
將下標(biāo)為9的元素刪除了。
那么通過get方法訪問下標(biāo)為9的元素肯定就會(huì)出問題了。
因此為了保證線程安全，必須在方法調(diào)用端做額外的同步措施，如下面所示：
public class Test {
static Vector<Integer> vector = new Vector<Integer>();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
while(true) {
for(int i=0;i<10;i++)
vector.add(i);
Thread thread1 = new Thread(){
public void run() {
synchronized (Test.class) { //進(jìn)行額外的同步
for(int i=0;i<vector.size();i++)
vector.remove(i);
}
};
};
Thread thread2 = new Thread(){
public void 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異常
在對(duì)Vector等容器并發(fā)地進(jìn)行迭代修改時(shí)，會(huì)報(bào)ConcurrentModificationException異常，關(guān)于這個(gè)異常將會(huì)在后續(xù)文章中講述。
但是在并發(fā)容器中不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問題。
參考資料：
《深入理解Java虛擬機(jī)》
《Java并發(fā)編程實(shí)戰(zhàn)》
浙公網(wǎng)安備 33010602011771號(hào)