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java并发编程：同步容器

阿玛尼迪迪  2022-04-17  617

关键词：

　　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的不方便。

　　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：

 1 package com.meng.javalanguage.thread.collection;
 2 
 3 import java.util.ArrayList;
 4 import java.util.Vector;
 5 
 6 public class MyCollectionTest {
 7 
 8     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 9         ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
10         Vector<Integer> vector = new Vector<Integer>();
11         long start = System.currentTimeMillis();
12         
13         for(int i = 0;i < 800000;i++) {
14             list.add(i);
15         }
16         long end = System.currentTimeMillis();
17         System.out.println("ArrayList进行800000次插入操作耗时：" + (end - start) + "ms");
18         
19         start = System.currentTimeMillis();
20         
21         for(int i = 0;i < 800000;i++) {
22             vector.add(i);
23         }
24         end = System.currentTimeMillis();
25         System.out.println("Vector进行800000次插入操作耗时：" + (end - start) + "ms");
26     }
27 }

　　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，其它线程便只能等待，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，并发容器的相关知识将在下一篇文章中介绍。

2、同步容器真是是安全的吗？

　　同步容器知识同步了单一操作，如果程序是一组复合操作，它就没法同步了，依然需要客户端做额外同步，比如以下代码：

 1 package com.meng.javalanguage.thread.collection;
 2 
 3 import java.util.ArrayList;
 4 import java.util.Vector;
 5 
 6 public class MyCollectionTest {
 7 
 8     static Vector<Integer> vector = new Vector<Integer>();
 9     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
10         while(true) {
11             for(int i=0;i<10;i++)
12                 vector.add(i);
13             Thread thread1 = new Thread(){
14                 public void run() {
15                     for(int i=0;i<vector.size();i++)
16                         vector.remove(i);
17                 };
18             };
19             Thread thread2 = new Thread(){
20                 public void run() {
21                     for(int i=0;i<vector.size();i++)
22                         vector.get(i);
23                 };
24             };
25             thread1.start();
26             thread2.start();
27             while(Thread.activeCount()>10)   {
28                  
29             }
30         }
31     }
32 }

　　在我的机器上运行的结果：

　　这段代码报错了：数组下标越界。

　　对于Vector，虽然能保证每一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：

1 for(int i=0;i<vector.size();i++)
2     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：

1 for(int i=0;i<vector.size();i++)
2     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，即抛出ArrayIndexOutBoundsException的异常，错误产生的逻辑如下所示：

　　解决方法就是通过对这些复合操作加锁：

 1 package com.meng.javalanguage.thread.collection;
 2 
 3 import java.util.ArrayList;
 4 import java.util.Vector;
 5 
 6 public class MyCollectionTest {
 7 
 8     static Vector<Integer> vector = new Vector<Integer>();
 9     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
10         while(true) {
11             for(int i=0;i<10;i++)
12                 vector.add(i);
13             Thread thread1 = new Thread(){
14                 public void run() {
15                     synchronized (MyCollectionTest.class) {   //进行额外的同步
16                         for(int i=0;i<vector.size();i++)
17                             vector.remove(i);
18                     }
19                 };
20             };
21             Thread thread2 = new Thread(){
22                 public void run() {
23                     synchronized (MyCollectionTest.class) {
24                         for(int i=0;i<vector.size();i++)
25                             vector.get(i);
26                     }
27                 };
28             };
29             thread1.start();
30             thread2.start();
31             while(Thread.activeCount()>10)   {
32                  
33             }
34         }
35     }
36 }

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，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。

转载自《Java并发编程：同步容器》

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