[Java 并发编程实战] 同步容器类潜在的问题(含实例代码)

Posted

tags:

篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了[Java 并发编程实战] 同步容器类潜在的问题(含实例代码)相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。———屈原《离骚》

PS: 如果觉得本文有用的话,请帮忙点赞,留言评论支持一下哦,您的支持是我最大的动力!谢谢啦~

本篇文章主要讲同步容器类存在的潜在问题以及解决办法。我们不禁想问,同步容器就一定是真正地完全线程安全吗?不一定。因为它可能会抛出下面这两种异常。

  1. ArrayIndexOutBoundsException 异常

  2. ConcurrentModificationException 异常

恩,这篇我们就来讨论这两个异常出现的原因以及解决办法。

同步策略

好,现在再来看上一篇文章中说到的同步容器类,先来了解它们的同步策略。它们主要有:

  • HashTable

  • Vector

  • Stack

  • 同步包装器 : [ Collections.synchronizedMap(), Collections.synchronizedList() ]

Vector 的部分源码如下:

 1  //...
2  public synchronized E get(int index) {
3        if (index >= elementCount)
4            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
5
6        return elementData(index);
7    }
8
9    public synchronized E set(int index, E element) {
10        if (index >= elementCount)
11            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
12
13        E oldValue = elementData(index);
14        elementData[index] = element;
15        return oldValue;
16    }
17
18    public synchronized boolean add(E e) {
19        modCount++;
20        ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
21        elementData[elementCount++] = e;
22        return true;
23    }
24    //...

通过同步容器的源码可以看出,它们将状态封装起来,对每个方法都采用 synchronized 进行同步,每次只有一个线程能访问容器。

ArrayIndexOutBoundsException 异常

同步容器类理论上都是线程安全的,但是在某些情况下,依然会出错。我们用 Vector 来举例,比方现在要删除 Vector 里面的最后一个元素。如果此时有多个线程并发执行这一删除操作,能正常执行吗?

 1import java.util.Vector;
2
3public class VectorTest {
4
5    //定义删除最后一个元素的方法
6    public static void deleteLast(Vector list) {
7        int lastindex = list.size() - 1;
8        list.remove(lastindex);
9    }
10
11    public static void main(String[] args) {
12
13        Vector v = new Vector(); //创建一个 Vector
14
15        //添加 10000 个元素到容器
16        for(int i = 0; i < 10000; i++) {
17            v.add(i);
18        }
19
20        //启动 N 个线程执行删除操作
21        for(int i = 0; i < 900; i++) {
22            new Thread(new Runnable() {
23                @Override
24                public void run() {
25                    deleteLast(v);//删除最后一个元素
26                }
27            }).start();
28        }
29        System.out.println("end");
30    }
31}

执行结果:

技术分享图片执行结果
执行结果是抛出异常[ArrayIndexOutBoundsException],数组下标越界。因为在这个程序中,Vector 的 size 是不断减小的。可能一个元素已经被删除的,另一个元素有再去删除它然而元素已经不存在了,所以抛出异常。

当然,这种情况我们只能通过客户端加锁来解决,好在 Vector 的同步策略就是用自己的内置锁。所以我们的代码修改如下,便可以运行:

 1synchronized (v) {
2    deleteLast(v);//删除最后一个元素
3}
4
5//迭代的时候也应当注意加锁
6synchronized (v) {
7    for(int i = 0; i < v.size(); i++) {
8        doSomeThing(v.get(i));
9    }
10}

ConcurrentModificationException 异常

再来看下面一段代码:

 1import java.util.Iterator;
2import java.util.Vector;
3
4public class VectorTest {
5
6    public static void main(String[] args) {
7
8        Vector v = new Vector(); //创建一个 Vector
9
10        //添加 100 个元素到容器
11        for(int i = 0; i < 100; i++) {
12            v.add(i);
13        }
14
15        //利用迭代器遍历,在遍历的同时删除一个元素
16        Iterator it = v.iterator();
17        while(it.hasNext()) {
18            Integer integer = (Integer) it.next();
19            if(integer == 5) {
20                v.remove(integer); //删除一个元素
21            }
22        }
23
24        System.out.println(v.toString());
25    }
26}

执行结果是:

技术分享图片执行结果
在 checkForComodification 中,it.next() 会检查这两个变量(modCount、expectedModCount) 是否相等,不等则抛出这个异常。直接调用 v.remove() ,它会更新 modCount 的值,却没有更新 expectedModCount 的值,所以抛出异常。这两个变量在容器类的位置如下所示:
技术分享图片modCount

要解决这个问题,把 v.remove(integer) 改为使用迭代器删除 it.remove() 即可,迭代器中的方法能够同时更新这两个值,确保相等。有兴趣的朋友可以查看 Itr 的源码看个究竟。

1if(integer == 5) {
2    it.remove(); //用迭代器遍历,则用迭代器删除
3}

上面说的是单线程的情况下发生异常。那么问题来了,按照上面改好后,多线程的情况下是不是否万事大吉了呢?

答案是否定的。因为多线程情况下,不同线程的操作可能导致这两个变量在不同线程读到的值会不相等,因为这两个变量不是 volatile 变量,所以在多线程之间可能存在不可见性。

就多线程的情况,我们再来看下面一个例子:

 1import java.util.Iterator;
2import java.util.Vector;
3
4public class VectorTest {
5
6    public static void main(String[] args) {
7
8        Vector v = new Vector(); //创建一个 Vector
9
10        //添加 100 个元素到容器
11        for(int i = 0; i < 100; i++) {
12            v.add(i);
13        }
14        //创建一个线程,遍历 Vector
15        new Thread(new Runnable() {
16            @Override
17            public void run() {
18                Iterator it = v.iterator();
19                while(it.hasNext()) {
20                    Integer integer = (Integer) it.next(); //调用next
21                    try {
22                        Thread.sleep(100);    //睡眠
23                    } catch (InterruptedException e) {
24                        // TODO Auto-generated catch block
25                        e.printStackTrace();
26                    }
27                }
28            }
29        }).start();
30        //创建一个线程,遍历 Vector
31        new Thread(new Runnable() {
32            @Override
33            public void run() {
34                //利用迭代器遍历,在遍历的同时删除一个元素
35                Iterator it = v.iterator();
36                while(it.hasNext()) {
37                    Integer integer = (Integer) it.next();
38                    if(integer == 5) {
39                        it.remove(); //删除一个元素,更新变量 modCount,expectedModCount的值。
40                    }
41                }
42            }
43        }).start();
44    }
45}

执行结果如下:

技术分享图片这里写图片描述
在对 Vector 等同步容器进行并发迭代修改的时候,迭代器就可能报 ConcurrentModificationException 异常。


针对多线程的情况,为了避免出现异常,一般有2种解决办法:

  1)在使用iterator迭代的时候使用synchronized或者Lock进行同步;
  2)使用并发容器CopyOnWriteArrayList代替ArrayList和Vector。
  
现在通过客户端加锁来举例解决,每个线程在迭代期间持有一个容器锁

1//利用迭代器遍历,在遍历的同时删除一个元素
2synchronized(v) {
3Iterator it = v.iterator();
4while(it.hasNext()) {
5    Integer integer = (Integer) it.next();
6    if(integer == 5) {
7        it.remove(); //删除一个元素,更新变量 modCount,expectedModCount的值。
8    }
9}

隐藏的迭代器

尽管加锁可以避免迭代器出现 modCount 异常,但是必须记住在一个可能发生迭代的共享容器中,各处都要使用锁。因为有时候,迭代器是隐藏的。

比如标准容器中的 toString() 实现会迭代容器中的每个元素。类似的,容器的hashCode,equal,containsAll,removeAll和retainAIl等方法,都会对容器进行迭代,抛出ConcurrentModificationException。

这是我们应该注意的地方。

好了,今天就写到这,关于并发容器的内容将在下一篇文章中讲述。

本文完结,如对你有帮助,欢迎关注我,谢谢啦~

以上是关于[Java 并发编程实战] 同步容器类潜在的问题(含实例代码)的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

《Java并发编程实战》第五章 同步容器类 读书笔记

[Java 并发编程实战] 集合框架之 同步容器类 & 并发容器类

JAVA并发编程实战3同步容器

《java并发编程实战》读书笔记4--基础构建模块,java中的同步容器类&并发容器类&同步工具类,消费者模式

java并发编程实战:第五章----基础构建模块

[Java并发编程] 并发容器框架的简单介绍