Java並發編程之同步容器

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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，在這裡我們插播一條阿裡巴巴的開發手冊規范：

高並發時，同步調用應該去考量鎖的性能損耗。能用無鎖數據結構，就不要用鎖；能鎖區塊，就不要鎖整個方法體；能用對象鎖，就不要用類鎖。

可以看到，隻有在高並發才會考慮到鎖的性能問題，所以在一些小而全的系統中，同步容器還是有用武之地的（當然也可以考慮並發容器，後面章節再討論）

一、什麼是同步容器

定義：就是把容器類同步化，這樣我們在並發中使用容器時，就不用手動同步，因為內部已經自動同步瞭

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創建的內部類，比如Collections.SynchronizedList、 Collections.SynchronizedSet等

那這兩種有沒有區別呢？

當然是有的，剛開始的時候(Java1.0)隻有第一種同步容器(Vector等)

但是因為Vector這種類太局氣瞭，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

public Vector(Collection<? extends E> c) {
	// 這裡通過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);
}

所以就有瞭第二種同步容器類(通過工廠方法創建的內部容器類)，它就比較聰明瞭，它隻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)，然後局部加鎖，這樣一來，即生成瞭線程安全的類，又不用太費力；

源碼：Collections.SynchronizedList構造函數

SynchronizedList(List<E> list) {
  super(list);
  // 這裡隻是指向傳來的list，不轉為己有，後面的相關操作還是基於原有的list集合
  this.list = list;
}

他們之間的區別如下：

兩種同步容器的區別 普通類 內部類
鎖的對象 不可指定，隻能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

這裡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（或工廠方法）來指定鎖的對象

源碼：Collections.SynchronizedCollection構造函數

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);
}

這裡要註意一點就是，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() {
  // 這裡會直接實現類的迭代器（比如ArrayList，它裡面的迭代器肯定是沒上鎖的）
  return c.iterator(); // Must be manually synched by user!
}

二、為什麼要有同步容器

因為普通的容器類（比如ArrayList)是線程不安全的，如果是在並發中使用，我們就需要手動對其加鎖才會安全，這樣的話就很麻煩；

所以就有瞭同步容器，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();
				// 創建10個線程
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
					// 每個線程執行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）

但實際上運行會發現，可能會報錯數組越界，如下所示：

數組越界-線程不安全類

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行add操作add操作時，如果發現list的容量不足，會進行擴容，但是由於多個線程同時擴容，就會出現擴容不足的問題

源碼：ArrayList.grow擴容

// 擴容方法
private void grow(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
				// 這裡可以看到，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，擴容是基於之前的容量進行的，因此如果多個線程同時擴容，那擴容基數就不準確瞭，結果就會有問題

線程安全的類：Collections.SynchronizedList

/**
 * <p>
 *  同步容器類：為什麼要有它
 * </p>
 *
 * @author: JavaLover
 * @time: 2021/5/3
 */
public class SyncCollectionDemo {

    private List<Integer> listSync;

    public SyncCollectionDemo() {
      	// 這裡包裝一個空的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，因為現在ArrayList被Collections包裝成瞭一個線程安全的類

這就是為啥會有同步容器的原因：因為同步容器使得並發編程時，線程更加安全

三、同步容器的優缺點

一般來說，都是先說優點，再說缺點

但是我們這次先說優點

優點：

  • 並發編程中，獨立操作是線程安全的，比如單獨的add操作

缺點（是的，優點已經說完瞭）：

  • 性能差，基本上所有方法都上鎖，完美的詮釋瞭“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，一般出現在當某個線程在遍歷容器時，其他線程恰好修改瞭這個容器的長度

為啥第三點是缺點呢？

因為它隻能作為一個建議，告訴我們有並發修改異常，但是不能保證每個並發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

final void checkForComodification() {
  // modCount：容器的長度變化次數， expectedModCount：期望的容器的長度變化次數
  if (modCount != expectedModCount)
    throw new ConcurrentModificationException();
}

那什麼情況下並發修改不會爆出異常呢？有兩種：

1.遍歷沒加鎖的情況：對於第二種同步容器(Collections內部類)來說，假設線程A修改瞭modCount的值，但是沒有同步到線程B，那麼線程B遍歷就不會發生異常（但實際上問題已經存在瞭，隻是暫時沒有出現）

2.依賴線程執行順序的情況：對於所有的同步容器來說，假設線程B已經遍歷完瞭容器，此時線程A才開始遍歷修改，那麼也不會發生異常

代碼就不貼瞭，大傢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於理論分析，實際代碼我這邊也沒跑出來)

根據阿裡巴巴的開發規范：不要在 foreach 循環裡進行元素的 remove/add 操作。remove 元素請使用 Iterator方式，如果並發操作，需要對 Iterator 對象加鎖。

這裡解釋下，關於List.remove和Iterator.remove的區別

  • Iterator.remove：會同步修改expectedModCount=modCount
  • list.remove：隻會修改modCount，因為expectedModCount屬於iterator對象的屬性，不屬於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. 這裡修改瞭 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. 這裡調用上面介紹的list.romove，修改modCount
                ArrayList.this.remove(lastRet);
                cursor = lastRet;
                lastRet = -1;
              	// 2. 這裡再同步更新 expectedModCount
                expectedModCount = modCount;
            } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }

由於同步容器的這些缺點，於是就有瞭並發容器（下期來介紹）

四、同步容器的使用場景

多用在並發編程，但是並發量又不是很大的場景，比如一些簡單的個人博客系統（具體多少並發量算大，這個也是分很多情況而論的，並不是說每秒處理超過多少個請求，就說是高並發，還要結合吞吐量、系統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並發容器的性能差別不大（並發容器可以並發讀）
  • 自定義的復合操作，比如getLast等操作（putIfAbsent就算瞭，因為並發容器有默認提供這個復合操作）
  • 等等

總結

什麼是同步容器：就是把容器類同步化，這樣我們在並發中使用容器時，就不用手動同步，因為內部已經自動同步瞭

為什麼要有同步容器：因為普通的容器類（比如ArrayList)是線程不安全的，如果是在並發中使用，我們就需要手動對其加鎖才會安全，這樣的話就很太麻煩；所以就有瞭同步容器，它來幫我們自動加鎖

同步容器的優缺點：

優點

獨立操作，線程安全

缺點 復合操作，還是不安全，性能差快速失敗機制，隻適合bug調試

同步容器的使用場景

多用在並發量不是很大的場景，比如個人博客、後臺系統等

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並發容器差別不是很大
  • 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）

到此這篇關於Java並發編程之同步容器的文章就介紹到這瞭,更多相關Java同步容器內容請搜索WalkonNet以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大傢以後多多支持WalkonNet！

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