Java并发-同步容器篇

Posted 2021-05-18 汤圆学Java

作者：汤圆

个人博客：javalover.cc

前言

官人们好啊，我是汤圆，今天给大家带来的是《Java并发-同步容器篇》，希望有所帮助，谢谢

文章如果有问题，欢迎大家批评指正，在此谢过啦

简介

同步容器主要分两类，一种是Vector这样的普通类，一种是通过Collections的工厂方法创建的内部类

虽然很多人都对同步容器的性能低有偏见，但它也不是一无是处，在这里我们插播一条阿里巴巴的开发手册规范：

高并发时，同步调用应该去考量锁的性能损耗。能用无锁数据结构，就不要用锁；能锁区块，就不要锁整个方法体；能用对象锁，就不要用类锁。

可以看到，只有在高并发才会考虑到锁的性能问题，所以在一些小而全的系统中，同步容器还是有用武之地的（当然也可以考虑并发容器，后面章节再讨论）

附言：这不是洗白贴

目录

我们这里分三步来分析：

1. 什么是同步容器
2. 为什么要有同步容器
3. 同步容器的优缺点
4. 同步容器的使用场景

正文

1. 什么是同步容器

定义：就是把容器类同步化，这样我们在并发中使用容器时，就不用手动同步，因为内部已经自动同步了

例子：比如Vector就是一个同步容器类，它的同步化就是把内部的所有方法都上锁（有的重载方法没上锁，但是最终调用的方法还是有锁的）

源码：Vector.add

// 通过synchronized为add方法上锁
public synchronized boolean add(E e) {
  modCount++;
  ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
  elementData[elementCount++] = e;
  return true;
}

同步容器主要分两类：

1. 普通类：Vector、Stack、HashTable
2. 内部类：Collections创建的内部类，比如Collections.SynchronizedList、 Collections.SynchronizedSet等

那这两种有没有区别呢？

当然是有的，刚开始的时候(Java1.0)只有第一种同步容器(Vector等)

但是因为Vector这种类太局气了，它就想着把所有的东西都弄过来自己搞(Vector通过toArray转为己有,HashTable通过putAll转为己有）；

源码：Vector构造函数

public Vector(Collection<? extends E> c) {
	// 这里通过toArray将传来的集合 转为己有
  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);
}

所以就有了第二种同步容器类(通过工厂方法创建的内部容器类)，它就比较聪明了，它只是把原有的容器进行包装（通过this.list = list直接指向需要同步的容器)，然后局部加锁，这样一来，即生成了线程安全的类，又不用太费力；

源码：Collections.SynchronizedList构造函数

SynchronizedList(List<E> list) {
  super(list);
  // 这里只是指向传来的list，不转为己有，后面的相关操作还是基于原有的list集合
  this.list = list;
}

他们之间的区别如下：

两种同步容器的区别	普通类	内部类
锁的对象	不可指定，只能this	可指定，默认this
锁的范围	方法体（包括迭代）	代码块（不包括迭代）
适用范围	窄-个别容器	广-所有容器

这里我们重点说下锁的对象：

• 普通类锁的是当前对象this（锁在方法上，默认this对象）；
• 内部类锁的是mutex属性，这个属性默认是this，但是可以通过构造函数（或工厂方法）来指定锁的对象

源码：Collections.SynchronizedCollection构造函数

final Collection<E> c;  // Backing Collection
// 这个就是锁的对象
final Object mutex;     // Object on which to synchronize

SynchronizedCollection(Collection<E> c) {
  this.c = Objects.requireNonNull(c);
// 初始化为 this
  mutex = this;
}

SynchronizedCollection(Collection<E> c, Object mutex) {
  this.c = Objects.requireNonNull(c);
  this.mutex = Objects.requireNonNull(mutex);
}

这里要注意一点就是，内部类的迭代器没有同步(Vector的迭代器有同步），需要手动加锁来同步

源码：Vector.Itr.next 迭代方法（有上锁）

public E next() {
  synchronized (Vector.this) {
    checkForComodification();
    int i = cursor;
    if (i >= elementCount)
      throw new NoSuchElementException();
    cursor = i + 1;
    return elementData(lastRet = i);
  }
}

源码：Collections.SynchronizedCollection.iterator 迭代器（没上锁）

public Iterator<E> iterator() {
  // 这里会直接实现类的迭代器（比如ArrayList，它里面的迭代器肯定是没上锁的）
  return c.iterator(); // Must be manually synched by user!
}

2. 为什么要有同步容器

因为普通的容器类（比如ArrayList)是线程不安全的，如果是在并发中使用，我们就需要手动对其加锁才会安全，这样的话就很麻烦；

所以就有了同步容器，它来帮我们自动加锁

下面我们用代码来对比下

线程不安全的类：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();
				// 创建10个线程
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
					// 每个线程执行100次添加操作
          new Thread(()->{
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    demo.addNoSync(j);
                }
            }).start();
        }
    }
}

上面的代码看似没问题，感觉就算有问题也应该是插入的顺序比较乱（多线程交替插入）

但实际上运行会发现，可能会报错数组越界，如下所示：

原因有二：

1. 因为ArrayList.add操作没有加锁，导致多个线程可以同时执行add操作
2. add操作时，如果发现list的容量不足，会进行扩容，但是由于多个线程同时扩容，就会出现扩容不足的问题

源码：ArrayList.grow扩容

// 扩容方法
private void grow(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
				// 这里可以看到，每次扩容增加一半的容量
  			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，扩容是基于之前的容量进行的，因此如果多个线程同时扩容，那扩容基数就不准确了，结果就会有问题

线程安全的类：Collections.SynchronizedList

/**
 * <p>
 *  同步容器类：为什么要有它
 * </p>
 *
 * @author: JavaLover
 * @time: 2021/5/3
 */
public class SyncCollectionDemo {

    private List<Integer> listSync;

    public SyncCollectionDemo() {
      	// 这里包装一个空的ArrayList
        this.listSync = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
    }

    public void addSync(int j){
      	// 内部是同步操作: 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);
      	// 输出1000
        System.out.println(demo.listSync.size());
    }
}

输出正确，因为现在ArrayList被Collections包装成了一个线程安全的类

这就是为啥会有同步容器的原因：因为同步容器使得并发编程时，线程更加安全

3. 同步容器的优缺点

一般来说，都是先说优点，再说缺点

但是我们这次先说优点

优点：

• 并发编程中，独立操作是线程安全的，比如单独的add操作

缺点（是的，优点已经说完了）：

• 性能差，基本上所有方法都上锁，完美的诠释了“宁可错杀一千，不可放过一个”

• 复合操作，还是不安全，比如putIfAbsent操作（如果没有则添加）

• 快速失败机制，这种机制会报错提示ConcurrentModificationException，一般出现在当某个线程在遍历容器时，其他线程恰好修改了这个容器的长度

为啥第三点是缺点呢？

因为它只能作为一个建议，告诉我们有并发修改异常，但是不能保证每个并发修改都会爆出这个异常

爆出这个异常的前提如下：

源码：Vector.Itr.checkForComodification 检查容器修改次数

final void checkForComodification() {
  // modCount：容器的长度变化次数， expectedModCount：期望的容器的长度变化次数
  if (modCount != expectedModCount)
    throw new ConcurrentModificationException();
}

那什么情况下并发修改不会爆出异常呢？有两种：

1. 遍历没加锁的情况：对于第二种同步容器(Collections内部类)来说，假设线程A修改了modCount的值，但是没有同步到线程B，那么线程B遍历就不会发生异常（但实际上问题已经存在了，只是暂时没有出现）

2. 依赖线程执行顺序的情况：对于所有的同步容器来说，假设线程B已经遍历完了容器，此时线程A才开始遍历修改，那么也不会发生异常

代码就不贴了，大家感兴趣的可以直接写几个线程遍历试试，多运行几次，应该就可以看到效果(不过第一种情况也是基于理论分析，实际代码我这边也没跑出来)

根据阿里巴巴的开发规范：不要在 foreach 循环里进行元素的 remove/add 操作。remove 元素请使用 Iterator方式，如果并发操作，需要对 Iterator 对象加锁。

这里解释下，关于List.remove和Iterator.remove的区别

• Iterator.remove：会同步修改expectedModCount=modCount

• list.remove：只会修改modCount，因为expectedModCount属于iterator对象的属性，不属于list的属性（但是也可以间接访问）

源码：ArrayList.remove移除元素操作

public E remove(int index) {
        rangeCheck(index);
				// 1. 这里修改了 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;
    }

源码：ArrayList.Itr.remove迭代器移除元素操作

public void remove() {
            if (lastRet < 0)
                throw new IllegalStateException();
            checkForComodification();

            try {
              	// 1. 这里调用上面介绍的list.romove，修改modCount
                ArrayList.this.remove(lastRet);
                cursor = lastRet;
                lastRet = -1;
              	// 2. 这里再同步更新 expectedModCount
                expectedModCount = modCount;
            } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }

由于同步容器的这些缺点，于是就有了并发容器（下期来介绍）

4. 同步容器的使用场景

多用在并发编程，但是并发量又不是很大的场景，比如一些简单的个人博客系统（具体多少并发量算大，这个也是分很多情况而论的，并不是说每秒处理超过多少个请求，就说是高并发，还要结合吞吐量、系统响应时间等多个因素一起考虑）

具体点来说的话，有以下几个场景：

• 写多读少，这个时候同步容器和并发容器的性能差别不大（并发容器可以并发读）
• 自定义的复合操作，比如getLast等操作（putIfAbsent就算了，因为并发容器有默认提供这个复合操作）
• 等等

总结

1. 什么是同步容器：就是把容器类同步化，这样我们在并发中使用容器时，就不用手动同步，因为内部已经自动同步了
2. 为什么要有同步容器：因为普通的容器类（比如ArrayList)是线程不安全的，如果是在并发中使用，我们就需要手动对其加锁才会安全，这样的话就很太麻烦；所以就有了同步容器，它来帮我们自动加锁
3. 同步容器的优缺点：

	优点	缺点
同步容器	独立操作，线程安全	复合操作，还是不安全
		性能差
		快速失败机制，只适合bug调试

4. 同步容器的使用场景

多用在并发量不是很大的场景，比如个人博客、后台系统等

具体点来说，有以下几个场景：

• 写多读少：这个时候同步容器和并发容器差别不是很大

• 自定义复合操作：比如getLast等复合操作，因为同步容器都是单个操作进行上锁的，所以可以很方便地去拼接复合操作（记得外部加锁）

• 等等

参考内容：

• 《Java并发编程实战》
• 《实战Java高并发》

后记

最后，感谢大家的观看，谢谢

原创不易，期待官人们的三连哟