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阿里P7教你巧用Java的同步容器和并發(fā)容器

同步容器

在 Java 中，同步容器主要包括 2 類(lèi)：

成都創(chuàng)新互聯(lián)專(zhuān)注于企業(yè)全網(wǎng)營(yíng)銷(xiāo)推廣、網(wǎng)站重做改版、三門(mén)網(wǎng)站定制設(shè)計(jì)、自適應(yīng)品牌網(wǎng)站建設(shè)、H5網(wǎng)站設(shè)計(jì)、成都做商城網(wǎng)站、集團(tuán)公司官網(wǎng)建設(shè)、成都外貿(mào)網(wǎng)站建設(shè)、高端網(wǎng)站制作、響應(yīng)式網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)等建站業(yè)務(wù)，價(jià)格優(yōu)惠性?xún)r(jià)比高，為三門(mén)等各大城市提供網(wǎng)站開(kāi)發(fā)制作服務(wù)。

  • Vector、Stack、HashTableCollections 類(lèi)中提供的靜態(tài)工廠(chǎng)方法創(chuàng)建的類(lèi)（由 Collections.synchronizedXxxx 等方法）
    • Vector 實(shí)現(xiàn)了 List 接口，Vector 實(shí)際上就是一個(gè)數(shù)組，和 ArrayList 類(lèi)似，但是 Vector 中的方法都是 synchronized 方法，即進(jìn)行了同步措施。
    • Stack 也是一個(gè)同步容器，它的方法也用 synchronized 進(jìn)行了同步，它實(shí)際上是繼承于 Vector 類(lèi)。
    • HashTable 實(shí)現(xiàn)了 Map 接口，它和 HashMap 很相似，但是 HashTable 進(jìn)行了同步處理，而 HashMap 沒(méi)有。

同步容器的缺陷

同步容器的同步原理就是在方法上用?synchronized?修飾。那么，這些方法每次只允許一個(gè)線(xiàn)程調(diào)用執(zhí)行。

性能問(wèn)題

由于被?synchronized?修飾的方法，每次只允許一個(gè)線(xiàn)程執(zhí)行，其他試圖訪(fǎng)問(wèn)這個(gè)方法的線(xiàn)程只能等待。顯然，這種方式比沒(méi)有使用?synchronized?的容器性能要差。

安全問(wèn)題

同步容器真的一定安全嗎？

答案是：未必。同步容器未必真的安全。在做復(fù)合操作時(shí)，仍然需要加鎖來(lái)保護(hù)。

常見(jiàn)復(fù)合操作如下：

  • 迭代：反復(fù)訪(fǎng)問(wèn)元素，直到遍歷完全部元素；
  • 跳轉(zhuǎn)：根據(jù)指定順序?qū)ふ耶?dāng)前元素的下一個(gè)（下 n 個(gè)）元素；
  • 條件運(yùn)算：例如若沒(méi)有則添加等；
不安全的示例
<pre Courier New" !important; font-size: 12px !important;">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)   {
        }
    }
}
}
</pre>

執(zhí)行時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)組越界錯(cuò)誤。

Vector 是線(xiàn)程安全的，為什么還會(huì)報(bào)這個(gè)錯(cuò)？很簡(jiǎn)單，對(duì)于 Vector，雖然能保證每一個(gè)時(shí)刻只能有一個(gè)線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)它，但是不排除這種可能：

當(dāng)某個(gè)線(xiàn)程在某個(gè)時(shí)刻執(zhí)行這句時(shí)：

<pre Courier New" !important; font-size: 12px !important;">for (int i=0;i<vector.size();i++)
    vector.get(i);
</pre>

假若此時(shí) vector 的 size 方法返回的是 10，i 的值為 9

然后另外一個(gè)線(xiàn)程執(zhí)行了這句：

<pre Courier New" !important; font-size: 12px !important;">for (int i=0;i<vector.size();i++)
    vector.remove(i);
</pre>

將下標(biāo)為 9 的元素刪除了。

那么通過(guò) get 方法訪(fǎng)問(wèn)下標(biāo)為 9 的元素肯定就會(huì)出問(wèn)題了。

安全示例

因此為了保證線(xiàn)程安全，必須在方法調(diào)用端做額外的同步措施，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) {
                        //進(jìn)行額外的同步
                        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)   {
            }
        }
    }
}
ConcurrentModificationException 異常

在對(duì) Vector 等容器并發(fā)地進(jìn)行迭代修改時(shí)，會(huì)報(bào) ConcurrentModificationException 異常，關(guān)于這個(gè)異常將會(huì)在后續(xù)文章中講述。

但是在并發(fā)容器中不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題。

并發(fā)容器

JDK 的?java.util.concurrent?包（即 juc）中提供了幾個(gè)非常有用的并發(fā)容器。

  • CopyOnWriteArrayList - 線(xiàn)程安全的 ArrayList
  • CopyOnWriteArraySet - 線(xiàn)程安全的 Set，它內(nèi)部包含了一個(gè) CopyOnWriteArrayList，因此本質(zhì)上是由 CopyOnWriteArrayList 實(shí)現(xiàn)的。
  • ConcurrentSkipListSet - 相當(dāng)于線(xiàn)程安全的 TreeSet。它是有序的 Set。它由 ConcurrentSkipListMap 實(shí)現(xiàn)。
  • ConcurrentHashMap - 線(xiàn)程安全的 HashMap。采用分段鎖實(shí)現(xiàn)高效并發(fā)。
  • ConcurrentSkipListMap - 線(xiàn)程安全的有序 Map。使用跳表實(shí)現(xiàn)高效并發(fā)。
  • ConcurrentLinkedQueue - 線(xiàn)程安全的×××隊(duì)列。底層采用單鏈表。支持 FIFO。
  • ConcurrentLinkedDeque - 線(xiàn)程安全的×××雙端隊(duì)列。底層采用雙向鏈表。支持 FIFO 和 FILO。
  • ArrayBlockingQueue - 數(shù)組實(shí)現(xiàn)的阻塞隊(duì)列。
  • LinkedBlockingQueue - 鏈表實(shí)現(xiàn)的阻塞隊(duì)列。
  • LinkedBlockingDeque - 雙向鏈表實(shí)現(xiàn)的雙端阻塞隊(duì)列。

ConcurrentHashMap

要點(diǎn)
  • 作用：ConcurrentHashMap 是線(xiàn)程安全的 HashMap。
  • 原理：JDK6 與 JDK7 中，ConcurrentHashMap 采用了分段鎖機(jī)制。JDK8 中，摒棄了鎖分段機(jī)制，改為利用 CAS 算法。
源碼
JDK7

ConcurrentHashMap 類(lèi)在 jdk1.7 中的設(shè)計(jì)，其基本結(jié)構(gòu)如圖所示：

阿里P7教你巧用Java的同步容器和并發(fā)容器

每一個(gè) segment 都是一個(gè) HashEntry<K,V>[] table， table 中的每一個(gè)元素本質(zhì)上都是一個(gè) HashEntry 的單向隊(duì)列。比如 table[3]為首節(jié)點(diǎn)，table[3]->next 為節(jié)點(diǎn) 1，之后為節(jié)點(diǎn) 2，依次類(lèi)推。

<pre Courier New" !important; font-size: 12px !important;">public class ConcurrentHashMap<K, V> extends AbstractMap<K, V>
        implements ConcurrentMap<K, V>, Serializable { // 將整個(gè)hashmap分成幾個(gè)小的map，每個(gè)segment都是一個(gè)鎖；與hashtable相比，這么設(shè)計(jì)的目的是對(duì)于put, remove等操作，可以減少并發(fā)沖突，對(duì) // 不屬于同一個(gè)片段的節(jié)點(diǎn)可以并發(fā)操作，大大提高了性能
final Segment<K,V>[] segments;
// 本質(zhì)上Segment類(lèi)就是一個(gè)小的hashmap，里面table數(shù)組存儲(chǔ)了各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，繼承了ReentrantLock, 可以作為互拆鎖使用
static final class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable {
    transient volatile HashEntry<K,V>[] table;
    transient int count;
}
// 基本節(jié)點(diǎn)，存儲(chǔ)Key， Value值
static final class HashEntry<K,V> {
    final int hash;
    final K key;
    volatile V value;
    volatile HashEntry<K,V> next;
}
}
</pre>
JDK8
  • jdk8 中主要做了 2 方面的改進(jìn)
  • 取消 segments 字段，直接采用?transient volatile HashEntry&lt;K,V&gt;[] table?保存數(shù)據(jù)，采用 table 數(shù)組元素作為鎖，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)每一行數(shù)據(jù)進(jìn)行加鎖，進(jìn)一步減少并發(fā)沖突的概率。
  • 將原先 table 數(shù)組＋單向鏈表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，變更為 table 數(shù)組＋單向鏈表＋紅黑樹(shù)的結(jié)構(gòu)。對(duì)于 hash 表來(lái)說(shuō)，最核心的能力在于將 key hash 之后能均勻的分布在數(shù)組中。如果 hash 之后散列的很均勻，那么 table 數(shù)組中的每個(gè)隊(duì)列長(zhǎng)度主要為 0 或者 1。但實(shí)際情況并非總是如此理想，雖然 ConcurrentHashMap 類(lèi)默認(rèn)的加載因子為 0.75，但是在數(shù)據(jù)量過(guò)大或者運(yùn)氣不佳的情況下，還是會(huì)存在一些隊(duì)列長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)的情況，如果還是采用單向列表方式，那么查詢(xún)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間復(fù)雜度為 O(n)；因此，對(duì)于個(gè)數(shù)超過(guò) 8(默認(rèn)值)的列表，jdk1.8 中采用了紅黑樹(shù)的結(jié)構(gòu)，那么查詢(xún)的時(shí)間復(fù)雜度可以降低到 O(logN)，可以改進(jìn)性能。 
    <pre Courier New" !important; font-size: 12px !important;">final V putVal(K key, V value, Boolean onlyIfAbsent) {
if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
int hash = spread(key.hashCode());
int binCount = 0;
for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
    Node<K,V> f;
    int n, i, fh;
    // 如果table為空，初始化；否則，根據(jù)hash值計(jì)算得到數(shù)組索引i，如果tab[i]為空，直接新建節(jié)點(diǎn)Node即可。注：tab[i]實(shí)質(zhì)為鏈表或者紅黑樹(shù)的首節(jié)點(diǎn)。
    if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
                tab = initTable(); else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
        if (casTabAt(tab, i, null, new Node<K,V>(hash, key, value, null))) break;
        // no lock when adding to empty bin
    }
    // 如果tab[i]不為空并且hash值為MOVED，說(shuō)明該鏈表正在進(jìn)行transfer操作，返回?cái)U(kuò)容完成后的table。 else if ((fh = f.hash) == MOVED)
                tab = helpTransfer(tab, f); else {
        V oldVal = null;
        // 針對(duì)首個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加鎖操作，而不是segment，進(jìn)一步減少線(xiàn)程沖突
        synchronized (f) {
            if (tabAt(tab, i) == f) {
                if (fh >= 0) {
                    binCount = 1;
                    for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
                        K ek;
                        // 如果在鏈表中找到值為key的節(jié)點(diǎn)e，直接設(shè)置e.val = value即可。
                        if (e.hash == hash && ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))) {
                            oldVal = e.val;
                            if (!onlyIfAbsent)
                                                                e.val = value;
                            break;
                        }
                        // 如果沒(méi)有找到值為key的節(jié)點(diǎn)，直接新建Node并加入鏈表即可。
                        Node<K,V> pred = e;
                        if ((e = e.next) == null) {
                            pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
                                                                                      value, null);
                            break;
                        }
                    }
                }
                // 如果首節(jié)點(diǎn)為T(mén)reeBin類(lèi)型，說(shuō)明為紅黑樹(shù)結(jié)構(gòu)，執(zhí)行putTreeVal操作。 else if (f instanceof TreeBin) {
                    Node<K,V> p;
                    binCount = 2;
                    if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,
                                                                           value)) != null) {
                        oldVal = p.val;
                        if (!onlyIfAbsent)
                                                        p.val = value;
                    }
                }
            }
        }
        if (binCount != 0) {
            // 如果節(jié)點(diǎn)數(shù)>＝8，那么轉(zhuǎn)換鏈表結(jié)構(gòu)為紅黑樹(shù)結(jié)構(gòu)。
            if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                                treeifyBin(tab, i);
            if (oldVal != null) return oldVal;
            break;
        }
    }
}
// 計(jì)數(shù)增加1，有可能觸發(fā)transfer操作(擴(kuò)容)。
addCount(1L, binCount);
return null;
}
</pre>

示例

<pre Courier New" !important; font-size: 12px !important;">public class ConcurrentHashMapDemo { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { // HashMap 在并發(fā)迭代訪(fǎng)問(wèn)時(shí)會(huì)拋出 ConcurrentModificationException 異常 // Map<Integer, Character> map = new HashMap<>();
        Map<Integer, Character> map = new ConcurrentHashMap<>();

        Thread wthread = new Thread(() -> {
            System.out.println("寫(xiě)操作線(xiàn)程開(kāi)始執(zhí)行"); for (int i = 0; i < 26; i++) {
                map.put(i, (char) ('a' + i));
            }
        });
        Thread rthread = new Thread(() -> {
            System.out.println("讀操作線(xiàn)程開(kāi)始執(zhí)行"); for (Integer key : map.keySet()) {
                System.out.println(key + " - " + map.get(key));
            }
        });
        wthread.start();
        rthread.start();
        Thread.sleep(1000);
    }
}</pre>

CopyOnWriteArrayList

要點(diǎn)
  • 作用：CopyOnWrite 字面意思為寫(xiě)入時(shí)復(fù)制。CopyOnWriteArrayList 是線(xiàn)程安全的 ArrayList。
  • 原理：
    • 在 CopyOnWriteAarrayList 中，讀操作不同步，因?yàn)樗鼈冊(cè)趦?nèi)部數(shù)組的快照上工作，所以多個(gè)迭代器可以同時(shí)遍歷而不會(huì)相互阻塞（1,2,4）。
    • 所有的寫(xiě)操作都是同步的。他們?cè)趥浞輸?shù)組（3）的副本上工作。寫(xiě)操作完成后，后備陣列將被替換為復(fù)制的陣列，并釋放鎖定。支持?jǐn)?shù)組變得易變，所以替換數(shù)組的調(diào)用是原子（5）。
    • 寫(xiě)操作后創(chuàng)建的迭代器將能夠看到修改的結(jié)構(gòu)（6,7）。
    • 寫(xiě)時(shí)復(fù)制集合返回的迭代器不會(huì)拋出 ConcurrentModificationException，因?yàn)樗鼈冊(cè)跀?shù)組的快照上工作，并且無(wú)論后續(xù)的修改（2,4）如何，都會(huì)像迭代器創(chuàng)建時(shí)那樣完全返回元素。

阿里P7教你巧用Java的同步容器和并發(fā)容器

源碼
重要屬性
  • lock - 執(zhí)行寫(xiě)時(shí)復(fù)制操作，需要使用可重入鎖加鎖

  • array - 對(duì)象數(shù)組，用于存放元素

    <pre Courier New" !important; font-size: 12px !important;">    
/** The lock protecting all mutators */
final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
/** The array, accessed only via getArray/setArray. */
private transient volatile Object[] array;
</pre>
    重要方法
  • 添加操作
    • 添加的邏輯很簡(jiǎn)單，先將原容器 copy 一份，然后在新副本上執(zhí)行寫(xiě)操作，之后再切換引用。當(dāng)然此過(guò)程是要加鎖的。 
      <pre Courier New" !important; font-size: 12px !important;">public Boolean add(E e) {
//ReentrantLock加鎖，保證線(xiàn)程安全
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
//拷貝原容器，長(zhǎng)度為原容器長(zhǎng)度加一
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
//在新副本上執(zhí)行添加操作
newElements[len] = e;
//將原容器引用指向新副本
setArray(newElements);
return true;
}
finally {
//解鎖
lock.unlock();
}
}
</pre>

      刪除操作

    • 刪除操作同理，將除要?jiǎng)h除元素之外的其他元素拷貝到新副本中，然后切換引用，將原容器引用指向新副本。同屬寫(xiě)操作，需要加鎖。
<pre Courier New" !important; font-size: 12px !important;">public E remove(int index) {
    //加鎖
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        E oldValue = get(elements, index);
        int numMoved = len - index - 1;
        if (numMoved == 0) //如果要?jiǎng)h除的是列表末端數(shù)據(jù)，拷貝前l(fā)en-1個(gè)數(shù)據(jù)到新副本上，再切換引用
        setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1)); else {
            //否則，將除要?jiǎng)h除元素之外的其他元素拷貝到新副本中，并切換引用
            Object[] newElements = new Object[len - 1];
            System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
            System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
                                          numMoved);
            setArray(newElements);
        }
        return oldValue;
    }
    finally {
        //解鎖
        lock.unlock();
    }
}
</pre>
  • 讀操作
    • CopyOnWriteArrayList 的讀操作是不用加鎖的，性能很高。 
      <pre Courier New" !important; font-size: 12px !important;">public E get(int index) {
return get(getArray(), index);
}
private E get(Object[] a, int index) {
return (E) a[index];
}
</pre>
示例
<pre Courier New" !important; font-size: 12px !important;">public class CopyOnWriteArrayListDemo { static class ReadTask implements Runnable {
        List<String> list;
ReadTask(List<String> list) {
    this.list = list;
}
public void run() {
    for (String str : list) {
        System.out.println(str);
    }
}
}
static class WriteTask implements Runnable {
List<String> list;
int index;
WriteTask(List<String> list, int index) {
    this.list = list;
    this.index = index;
}
public void run() {
    list.remove(index);
    list.add(index, "write_" + index);
}
}
public void run() {
final int NUM = 10;
// ArrayList 在并發(fā)迭代訪(fǎng)問(wèn)時(shí)會(huì)拋出 ConcurrentModificationException 異常 // List<String> list = new ArrayList<>();
CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
for (int i = 0; i < NUM; i++) {
    list.add("main_" + i);
}
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(NUM);
for (int i = 0; i < NUM; i++) {
    executorService.execute(new ReadTask(list));
    executorService.execute(new WriteTask(list, i));
}
executorService.shutdown();
}
public static void main(String[] args) {
new CopyOnWriteArrayListDemo().run();
}
}
</pre>

文末彩蛋

針對(duì)于上面所涉及到的知識(shí)點(diǎn)我總結(jié)出了有1到5年開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的程序員在面試中涉及到的絕大部分架構(gòu)面試題及答案做成了文檔和架構(gòu)視頻資料免費(fèi)分享給大家（包括Dubbo、redis、Netty、zookeeper、Spring cloud、分布式、高并發(fā)等架構(gòu)技術(shù)資料），希望能幫助到您面試前的復(fù)習(xí)且找到一個(gè)好的工作，也節(jié)省大家在網(wǎng)上搜索資料的時(shí)間來(lái)學(xué)習(xí)，也可以關(guān)注我一下以后會(huì)有更多干貨分享。

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