时间:2021-05-20
同步容器
在 Java 中,同步容器主要包括 2 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。
同步容器的缺陷
同步容器的同步原理就是在方法上用 synchronized 修饰。那么,这些方法每次只允许一个线程调用执行。
性能问题
由于被 synchronized 修饰的方法,每次只允许一个线程执行,其他试图访问这个方法的线程只能等待。显然,这种方式比没有使用 synchronized 的容器性能要差。
安全问题
同步容器真的一定安全吗?
答案是:未必。同步容器未必真的安全。在做复合操作时,仍然需要加锁来保护。
常见复合操作如下:
不安全的示例
<pre style="margin: 0px; padding: 0px; white-space: pre-wrap; overflow-wrap: break-word; font-family: "Courier New" !important; font-size: 12px !important;">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) {}}}}</pre>执行时可能会出现数组越界错误。
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:
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:
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。
安全示例
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:
ConcurrentModificationException 异常
在对 Vector 等容器并发地进行迭代修改时,会报 ConcurrentModificationException 异常,关于这个异常将会在后续文章中讲述。
但是在并发容器中不会出现这个问题。
并发容器
JDK 的 java.util.concurrent 包(即 juc)中提供了几个非常有用的并发容器。
ConcurrentHashMap
要点
作用:ConcurrentHashMap 是线程安全的 HashMap。
原理:JDK6 与 JDK7 中,ConcurrentHashMap 采用了分段锁机制。JDK8 中,摒弃了锁分段机制,改为利用 CAS 算法。
源码
JDK7
ConcurrentHashMap 类在 jdk1.7 中的设计,其基本结构如图所示:
每一个 segment 都是一个 HashEntry<K,V>[] table, table 中的每一个元素本质上都是一个 HashEntry 的单向队列。比如 table[3]为首节点,table[3]->next 为节点 1,之后为节点 2,依次类推。
JDK8
jdk8 中主要做了 2 方面的改进
对于 hash 表来说,最核心的能力在于将 key hash 之后能均匀的分布在数组中。如果 hash 之后散列的很均匀,那么 table 数组中的每个队列长度主要为 0 或者 1。
但实际情况并非总是如此理想,虽然 ConcurrentHashMap 类默认的加载因子为 0.75,但是在数据量过大或者运气不佳的情况下,还是会存在一些队列长度过长的情况,如果还是采用单向列表方式,那么查询某个节点的时间复杂度为 O(n);
因此,对于个数超过 8(默认值)的列表,jdk1.8 中采用了红黑树的结构,那么查询的时间复杂度可以降低到 O(logN),可以改进性能。
<pre style="margin: 0px; padding: 0px; white-space: pre-wrap; overflow-wrap: break-word; font-family: "Courier New" !important; font-size: 12px !important;">final V putVal(K key, V value, Boolean onlyIfAbsent) {if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();int hash = spread(key.hashCode());int binCount = 0;for (Node<K,V>[] tab = table;;) {Node<K,V> f;int n, i, fh;// 如果table为空,初始化;否则,根据hash值计算得到数组索引i,如果tab[i]为空,直接新建节点Node即可。注:tab[i]实质为链表或者红黑树的首节点。if (tab == null || (n = tab.length) == 0)tab = initTable(); else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {if (casTabAt(tab, i, null, new Node<K,V>(hash, key, value, null))) break;// no lock when adding to empty bin}// 如果tab[i]不为空并且hash值为MOVED,说明该链表正在进行transfer操作,返回扩容完成后的table。 else if ((fh = f.hash) == MOVED)tab = helpTransfer(tab, f); else {V oldVal = null;// 针对首个节点进行加锁操作,而不是segment,进一步减少线程冲突synchronized (f) {if (tabAt(tab, i) == f) {if (fh >= 0) {binCount = 1;for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {K ek;// 如果在链表中找到值为key的节点e,直接设置e.val = value即可。if (e.hash == hash && ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))) {oldVal = e.val;if (!onlyIfAbsent)e.val = value;break;}// 如果没有找到值为key的节点,直接新建Node并加入链表即可。Node<K,V> pred = e;if ((e = e.next) == null) {pred.next = new Node<K,V>(hash, key,value, null);break;}}}// 如果首节点为TreeBin类型,说明为红黑树结构,执行putTreeVal操作。 else if (f instanceof TreeBin) {Node<K,V> p;binCount = 2;if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,value)) != null) {oldVal = p.val;if (!onlyIfAbsent)p.val = value;}}}}if (binCount != 0) {// 如果节点数>=8,那么转换链表结构为红黑树结构。if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)treeifyBin(tab, i);if (oldVal != null) return oldVal;break;}}}// 计数增加1,有可能触发transfer操作(扩容)。addCount(1L, binCount);return null;}</pre>示例
<pre style="margin: 0px; padding: 0px; white-space: pre-wrap; overflow-wrap: break-word; font-family: "Courier New" !important; font-size: 12px !important;">public class ConcurrentHashMapDemo { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { // HashMap 在并发迭代访问时会抛出 ConcurrentModificationException 异常 // Map<Integer, Character> map = new HashMap<>();Map<Integer, Character> map = new ConcurrentHashMap<>();Thread wthread = new Thread(() -> {System.out.println("写操作线程开始执行"); for (int i = 0; i < 26; i++) {map.put(i, (char) ('a' + i));}});Thread rthread = new Thread(() -> {System.out.println("读操作线程开始执行"); for (Integer key : map.keySet()) {System.out.println(key + " - " + map.get(key));}});wthread.start();rthread.start();Thread.sleep(1000);}}</pre>CopyOnWriteArrayList
要点
作用:CopyOnWrite 字面意思为写入时复制。CopyOnWriteArrayList 是线程安全的 ArrayList。
原理:
源码
重要属性
重要方法
添加操作
添加的逻辑很简单,先将原容器 copy 一份,然后在新副本上执行写操作,之后再切换引用。当然此过程是要加锁的。
<pre style="margin: 0px; padding: 0px; white-space: pre-wrap; overflow-wrap: break-word; font-family: "Courier New" !important; font-size: 12px !important;">public Boolean add(E e) {//ReentrantLock加锁,保证线程安全final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lock();try {Object[] elements = getArray();int len = elements.length;//拷贝原容器,长度为原容器长度加一Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);//在新副本上执行添加操作newElements[len] = e;//将原容器引用指向新副本setArray(newElements);return true;}finally {//解锁lock.unlock();}}</pre>删除操作
删除操作同理,将除要删除元素之外的其他元素拷贝到新副本中,然后切换引用,将原容器引用指向新副本。同属写操作,需要加锁。
<pre style="margin: 0px; padding: 0px; white-space: pre-wrap; overflow-wrap: break-word; font-family: "Courier New" !important; font-size: 12px !important;">public E remove(int index) {//加锁final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lock();try {Object[] elements = getArray();int len = elements.length;E oldValue = get(elements, index);int numMoved = len - index - 1;if (numMoved == 0) //如果要删除的是列表末端数据,拷贝前len-1个数据到新副本上,再切换引用setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1)); else {//否则,将除要删除元素之外的其他元素拷贝到新副本中,并切换引用Object[] newElements = new Object[len - 1];System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,numMoved);setArray(newElements);}return oldValue;}finally {//解锁lock.unlock();}}</pre>读操作
CopyOnWriteArrayList 的读操作是不用加锁的,性能很高。
<pre style="margin: 0px; padding: 0px; white-space: pre-wrap; overflow-wrap: break-word; font-family: "Courier New" !important; font-size: 12px !important;">public E get(int index) {return get(getArray(), index);}private E get(Object[] a, int index) {return (E) a[index];}</pre>示例
以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助,也希望大家多多支持。
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