Java並發-同步容器篇
作者:湯圓
個人部落格:javalover.cc
前言
官人們好啊,我是湯圓,今天給大家帶來的是《Java並發-同步容器篇》,希望有所幫助,謝謝
文章如果有問題,歡迎大家批評指正,在此謝過啦
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里巴巴的開發手冊規範:
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,只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)
附言:這不是洗白貼
目錄
我們這裡分三步來分析:
- 什麼是同步容器
- 為什麼要有同步容器
- 同步容器的優缺點
- 同步容器的使用場景
正文
1. 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了
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:
- 普通類:Vector、Stack、HashTable
- 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)只有第一種同步容器(Vector等)
但是因為Vector這種類太局氣了,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);
}
所以就有了第二種同步容器類(通過工廠方法創建的內部容器類),它就比較聰明了,它只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,即生成了執行緒安全的類,又不用太費力;
源碼:Collections.SynchronizedList構造函數
SynchronizedList(List<E> list) {
super(list);
// 這裡只是指向傳來的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,只能this | 可指定,默認this |
鎖的範圍 | 方法體(包括迭代) | 程式碼塊(不包括迭代) |
適用範圍 | 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);
}
這裡要注意一點就是,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!
}
2. 為什麼要有同步容器
因為普通的容器類(比如ArrayList)是執行緒不安全的,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;
所以就有了同步容器,它來幫我們自動加鎖
下面我們用程式碼來對比下
執行緒不安全的類: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個執行緒
for (int i = 0; i < 10; i++) {
// 每個執行緒執行100次添加操作
new Thread(()->{
for (int j = 0; j < 1000; j++) {
demo.addNoSync(j);
}
}).start();
}
}
}
上面的程式碼看似沒問題,感覺就算有問題也應該是插入的順序比較亂(多執行緒交替插入)
但實際上運行會發現,可能會報錯數組越界,如下所示:
原因有二:
- 因為ArrayList.add操作沒有加鎖,導致多個執行緒可以同時執行add操作
- add操作時,如果發現list的容量不足,會進行擴容,但是由於多個執行緒同時擴容,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,因此如果多個執行緒同時擴容,那擴容基數就不準確了,結果就會有問題
執行緒安全的類: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包裝成了一個執行緒安全的類
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,執行緒更加安全
3. 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,獨立操作是執行緒安全的,比如單獨的add操作
缺點(是的,優點已經說完了):
-
性能差,基本上所有方法都上鎖,完美的詮釋了「寧可錯殺一千,不可放過一個」
-
複合操作,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
,一般出現在當某個執行緒在遍歷容器時,其他執行緒恰好修改了這個容器的長度
為啥第三點是缺點呢?
因為它只能作為一個建議,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:
-
遍歷沒加鎖的情況:對於第二種同步容器(Collections內部類)來說,假設執行緒A修改了modCount的值,但是沒有同步到執行緒B,那麼執行緒B遍歷就不會發生異常(但實際上問題已經存在了,只是暫時沒有出現)
-
依賴執行緒執行順序的情況:對於所有的同步容器來說,假設執行緒B已經遍歷完了容器,此時執行緒A才開始遍歷修改,那麼也不會發生異常
程式碼就不貼了,大家感興趣的可以直接寫幾個執行緒遍歷試試,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,實際程式碼我這邊也沒跑出來)
根據阿里巴巴的開發規範:不要在 foreach 循環里進行元素的 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:只會修改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. 這裡修改了 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,於是就有了並發容器(下期來介紹)
4. 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部落格系統(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)
- 自定義的複合操作,比如getLast等操作(putIfAbsent就算了,因為並發容器有默認提供這個複合操作)
- 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了
- 為什麼要有同步容器:因為普通的容器類(比如ArrayList)是執行緒不安全的,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;所以就有了同步容器,它來幫我們自動加鎖
- 同步容器的優缺點:
優點 | 缺點 | |
---|---|---|
同步容器 | 獨立操作,執行緒安全 | 複合操作,還是不安全 |
性能差 | ||
快速失敗機制,只適合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,比如個人部落格、後台系統等
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
-
自定義複合操作:比如getLast等複合操作,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複合操作(記得外部加鎖)
-
等等
參考內容:
- 《Java並發編程實戰》
- 《實戰Java高並發》
後記
最後,感謝大家的觀看,謝謝
原創不易,期待官人們的三連喲