并发编程修炼七:同步容器

作者：海子
出处：http://www.cnblogs.com/dolphin0520/

目录:

一.为什么会出现同步容器？

二.Java中的同步容器类

三.同步容器的缺陷

四.自测试

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地不方便。

　　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，比如对集合或者容器进行排序、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：

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进行100000次插入操作耗时："+(end-start)+"ms");        start = System.currentTimeMillis();        for(int i=0;i<100000;i++)            vector.add(i);        end = System.currentTimeMillis();        System.out.println("Vector进行100000次插入操作耗时："+(end-start)+"ms");    }}

　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中的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，其他线程便只能等待，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讲述。

2.同步容器真的是安全的吗？

　　也有有人认为Vector中的方法都进行了同步处理，那么一定就是线程安全的，事实上这可不一定。看下面这段代码：

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)   {            }        }    }}

在我机器上运行的结果：

正如大家所看到的，这段代码报错了：数组下标越界。

　　也许有朋友会问：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：

for(int i=0;i<vector.size();i++)    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：

for(int i=0;i<vector.size();i++)    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了。

　　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：

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) {   //进行额外的同步                        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)   {            }        }    }}

个人认为

线程安全集合只能保证单个操作安全，复合操作同样不安全,同步容器中的所有自带方法都是线程安全的，因为方法都使用synchronized关键字标注。但是，对这些集合类的复合操作无法保证其线程安全性。需要客户端通过主动加锁来保证,就跟博主(海子)一样,在外面加关键字synchronized额外同步

查看jdk源码,会发现，像Vector这样的同步容器的所有共有方法全都是synchronized的。也就是说，我们可以在多线程场景中放心的使用单独这些方法，因为这些方法本身的确是线程安全的。那么为什么又说复合操作无法保证线程安全呢？这里举个栗子，我们定义如下删除Vector中最后一个元素方法：

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

上面这个方法是一个复合方法，包括size(）和remove()，乍一看上去好像并没有什么问题，无论是size()方法还是remove()方法都是线程安全的，那么整个deleteLast方法应该也是线程安全的。但是时，如果多线程调用该方法的过程中有，remove方法有可能抛出ArrayIndexOutOfBoundsException。我们看一下remove方法具体实现，什么情况下会抛出这个异常呢。

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;}

从上面代码中可以看出，当index >= elementCount时，会抛出ArrayIndexOutOfBoundsException，也就是说，当当前索引值不再有效的时候，将会抛出这个异常。因为removeLast方法，有可能被多个线程同时执行，当线程一通过index()获得索引值为10，在尝试通过remove()删除该索引位置的元素之前，线程2把该索引位置的值删除掉了，这时线程一在执行时便会抛出异常。

为了避免出现类似问题，可以尝试加锁：

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

如上，我们在deleteLast中，对v进行加锁，即可保证同一时刻，不会有其他线程删除掉v中的元素。

Ps:由于我们自己已知Vector等同步容器是线程安全的，所以我们通常在多线程场景中会直接拿来使用，并不会考虑太多，从而可能导致问题。
所以，我们在使用同步容器的时候，如果只使用其中的自带方法，那么可以放心使用，因为他们是线程安全的，但是如果我们想做复合操作，尤其是涉及到删除容器中的元素时，一定要注意是否需要客户端主动加锁。

下面，我们考虑以下代码，如果在多线程场景中使用会不会出现线程安全问题：

for (int i = 0; i < v.size(); i++) {    System.out.println(v.get(i));}

显然，以上代码在迭代的过程中，并不会出现线程安全问题。但是，如果在程序中还有以下代码有可能被同时调用呢？

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

由于，不同线程在同一时间操作同一个Vector，其中包括删除操作，那么就同样有可能发生线程安全问题。所以，在使用同步容器的时候，如果涉及到多个线程同时执行删除操作，就要考虑下是否需要加锁。

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。

四.自测试(效率)

根据博主(海子)的代码测试

单线程:

public class Test {    private static ArrayList<Integer> arraylist = new ArrayList<Integer>();    private static Vector<Integer> vector = new Vector<Integer>();    public static void main(String[] args) throws IOException {        long start = System.currentTimeMillis();        for(int i=0;i<100000;i++)            arraylist.add(i);        long end = System.currentTimeMillis();        System.out.println("ArrayList进行100000次插入操作耗时："+(end-start)+"ms");        start = System.currentTimeMillis();        for(int i=0;i<100000;i++)            vector.add(i);        end = System.currentTimeMillis();        System.out.println("Vector进行100000次插入操作耗时："+(end-start)+"ms");    }}

效率:
当插入数据为:100000

当插入数据为:1000000

当插入数据为:10000000 (大数据插入反而是vector效率高)

结论和原因:
Vector的性能比ArrayList数据多的时候要好，单线程的话，上锁解锁的时间可以忽略,但是，arraylist和vector都是可变数组，当容量不够的时候，arraylist是增加自身的一半，而vector是增加一倍，从这里看vector要省很多时间在增加容量上。也许这就是优势所在。

多线程:

public class Test {      private static ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>();        private static Vector<Integer> vector = new Vector<Integer>();        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {            for(int i=0;i<10;i++){                Thread thread1 = new Thread(){                    public void run(){                        long start = System.currentTimeMillis();                        for(int i=0;i<100000;i++)                            list.add(i);                        long end = System.currentTimeMillis();                        System.out.println("ArrayList进行100000次插入操作耗时："+(end-start)+"ms");                    };                };                thread1.start();            }            for(int i=0;i<10;i++){                Thread thread2 = new Thread(){                    public void run(){                        long start = System.currentTimeMillis();                        for(int i=0;i<100000;i++)                             vector.add(i);                        long end = System.currentTimeMillis();                        System.out.println("Vector进行100000次插入操作耗时："+(end-start)+"ms");                    };                };                thread2.start();            }        }}

结果如图:

有Exception in thread “Thread-0” java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException异常，原因就在于ArrayList并不是线程安全的，它可能在拓展大小时，其他线程进行了add，所以会有这个异常出现。那还是要将ArrayList在synchronising环境下进行，那就没有可比性