Java同步容器和并发容器

同步容器

在 Java 中，同步容器主要包括 2 类：

Vector、Stack、HashTable
- 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 类中提供的静态工厂方法创建的类（由 Collections.synchronizedXxxx 等方法）

同步容器的缺陷

同步容器的同步原理就是在方法上用 synchronized 修饰。那么，这些方法每次只允许一个线程调用执行。

性能问题

由于被 synchronized 修饰的方法，每次只允许一个线程执行，其他试图访问这个方法的线程只能等待。显然，这种方式比没有使用 synchronized 的容器性能要差。

安全问题

同步容器真的一定安全吗？

答案是：未必。同步容器未必真的安全。在做复合操作时，仍然需要加锁来保护。

常见复合操作如下：

迭代：反复访问元素，直到遍历完全部元素；
跳转：根据指定顺序寻找当前元素的下一个（下 n 个）元素；
条件运算：例如若没有则添加等；

不安全的示例

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)   {

            }
        }
    }
}

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执行时可能会出现数组越界错误。

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);

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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);

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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。

安全示例

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)   {

            }
        }
    }
}

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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。

并发容器

JDK 的 java.util.concurrent 包（即 juc）中提供了几个非常有用的并发容器。

CopyOnWriteArrayList - 线程安全的 ArrayList
CopyOnWriteArraySet - 线程安全的 Set，它内部包含了一个 CopyOnWriteArrayList，因此本质上是由 CopyOnWriteArrayList 实现的。
ConcurrentSkipListSet - 相当于线程安全的 TreeSet。它是有序的 Set。它由 ConcurrentSkipListMap 实现。
ConcurrentHashMap - 线程安全的 HashMap。采用分段锁实现高效并发。
ConcurrentSkipListMap - 线程安全的有序 Map。使用跳表实现高效并发。
ConcurrentLinkedQueue - 线程安全的无界队列。底层采用单链表。支持 FIFO。
ConcurrentLinkedDeque - 线程安全的无界双端队列。底层采用双向链表。支持 FIFO 和 FILO。
ArrayBlockingQueue - 数组实现的阻塞队列。
LinkedBlockingQueue - 链表实现的阻塞队列。
LinkedBlockingDeque - 双向链表实现的双端阻塞队列。

ConcurrentHashMap

要点

作用：ConcurrentHashMap 是线程安全的 HashMap。
原理：JDK6 与 JDK7 中，ConcurrentHashMap 采用了分段锁机制。JDK8 中，摒弃了锁分段机制，改为利用 CAS 算法。

源码

JDK7

ConcurrentHashMap 类在 jdk1.7 中的设计，其基本结构如图所示：

每一个 segment 都是一个 HashEntry<K,V>[] table， table 中的每一个元素本质上都是一个 HashEntry 的单向队列。比如 table[3]为首节点，table[3]->next 为节点 1，之后为节点 2，依次类推。

public class ConcurrentHashMap<K, V> extends AbstractMap<K, V>
        implements ConcurrentMap<K, V>, Serializable {

    // 将整个hashmap分成几个小的map，每个segment都是一个锁；与hashtable相比，这么设计的目的是对于put, remove等操作，可以减少并发冲突，对
    // 不属于同一个片段的节点可以并发操作，大大提高了性能
    final Segment<K,V>[] segments;

    // 本质上Segment类就是一个小的hashmap，里面table数组存储了各个节点的数据，继承了ReentrantLock, 可以作为互拆锁使用
    static final class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable {
        transient volatile HashEntry<K,V>[] table;
        transient int count;
    }

    // 基本节点，存储Key， Value值
    static final class HashEntry<K,V> {
        final int hash;
        final K key;
        volatile V value;
        volatile HashEntry<K,V> next;
    }
}

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JDK8

jdk8 中主要做了 2 方面的改进
取消 segments 字段，直接采用 transient volatile HashEntry<K,V>[] table 保存数据，采用 table 数组元素作为锁，从而实现了对每一行数据进行加锁，进一步减少并发冲突的概率。
将原先 table 数组＋单向链表的数据结构，变更为 table 数组＋单向链表＋红黑树的结构。对于 hash 表来说，最核心的能力在于将 key hash 之后能均匀的分布在数组中。如果 hash 之后散列的很均匀，那么 table 数组中的每个队列长度主要为 0 或者 1。但实际情况并非总是如此理想，虽然 ConcurrentHashMap 类默认的加载因子为 0.75，但是在数据量过大或者运气不佳的情况下，还是会存在一些队列长度过长的情况，如果还是采用单向列表方式，那么查询某个节点的时间复杂度为 O(n)；因此，对于个数超过 8(默认值)的列表，jdk1.8 中采用了红黑树的结构，那么查询的时间复杂度可以降低到 O(logN)，可以改进性能。

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为空，初始化；否则，根据hash值计算得到数组索引i，如果tab[i]为空，直接新建节点Node即可。注：tab[i]实质为链表或者红黑树的首节点。
        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]不为空并且hash值为MOVED，说明该链表正在进行transfer操作，返回扩容完成后的table。
        else if ((fh = f.hash) == MOVED)
            tab = helpTransfer(tab, f);
        else {
            V oldVal = null;
            // 针对首个节点进行加锁操作，而不是segment，进一步减少线程冲突
            synchronized (f) {
                if (tabAt(tab, i) == f) {
                    if (fh >= 0) {
                        binCount = 1;
                        for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
                            K ek;
                            // 如果在链表中找到值为key的节点e，直接设置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;
                            }
                            // 如果没有找到值为key的节点，直接新建Node并加入链表即可。
                            Node<K,V> pred = e;
                            if ((e = e.next) == null) {
                                pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
                                                          value, null);
                                break;
                            }
                        }
                    }
                    // 如果首节点为TreeBin类型，说明为红黑树结构，执行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) {
                // 如果节点数>＝8，那么转换链表结构为红黑树结构。
                if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                    treeifyBin(tab, i);
                if (oldVal != null)
                    return oldVal;
                break;
            }
        }
    }
    // 计数增加1，有可能触发transfer操作(扩容)。
    addCount(1L, binCount);
    return null;
}

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示例

public class ConcurrentHashMapDemo {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        // HashMap 在并发迭代访问时会抛出 ConcurrentModificationException 异常
        // Map<Integer, Character> map = new HashMap<>();
        Map<Integer, Character> map = new ConcurrentHashMap<>();

        Thread wthread = new Thread(() -> {
            System.out.println("写操作线程开始执行");
            for (int i = 0; i < 26; i++) {
                map.put(i, (char) ('a' + i));
            }
        });
        Thread rthread = new Thread(() -> {
            System.out.println("读操作线程开始执行");
            for (Integer key : map.keySet()) {
                System.out.println(key + " - " + map.get(key));
            }
        });
        wthread.start();
        rthread.start();
        Thread.sleep(1000);
    }
}

复制

CopyOnWriteArrayList

要点

作用：CopyOnWrite 字面意思为写入时复制。CopyOnWriteArrayList 是线程安全的 ArrayList。
原理：
- 在 CopyOnWriteAarrayList 中，读操作不同步，因为它们在内部数组的快照上工作，所以多个迭代器可以同时遍历而不会相互阻塞（1,2,4）。
- 所有的写操作都是同步的。他们在备份数组（3）的副本上工作。写操作完成后，后备阵列将被替换为复制的阵列，并释放锁定。支持数组变得易变，所以替换数组的调用是原子（5）。
- 写操作后创建的迭代器将能够看到修改的结构（6,7）。
- 写时复制集合返回的迭代器不会抛出 ConcurrentModificationException，因为它们在数组的快照上工作，并且无论后续的修改（2,4）如何，都会像迭代器创建时那样完全返回元素。

源码

重要属性

lock - 执行写时复制操作，需要使用可重入锁加锁
array - 对象数组，用于存放元素

/** The lock protecting all mutators */
    final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    /** The array, accessed only via getArray/setArray. */
    private transient volatile Object[] array;

复制

重要方法

添加操作
- 添加的逻辑很简单，先将原容器 copy 一份，然后在新副本上执行写操作，之后再切换引用。当然此过程是要加锁的。

public boolean add(E e) {
    //ReentrantLock加锁，保证线程安全
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        //拷贝原容器，长度为原容器长度加一
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        //在新副本上执行添加操作
        newElements[len] = e;
        //将原容器引用指向新副本
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        //解锁
        lock.unlock();
    }
}

复制

删除操作
- 删除操作同理，将除要删除元素之外的其他元素拷贝到新副本中，然后切换引用，将原容器引用指向新副本。同属写操作，需要加锁。

public E remove(int index) {
    //加锁
    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)
            //如果要删除的是列表末端数据，拷贝前len-1个数据到新副本上，再切换引用
            setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
        else {
            //否则，将除要删除元素之外的其他元素拷贝到新副本中，并切换引用
            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 {
        //解锁
        lock.unlock();
    }
}

复制

读操作
- CopyOnWriteArrayList 的读操作是不用加锁的，性能很高。

public E get(int index) {
    return get(getArray(), index);
}
private E get(Object[] a, int index) {
    return (E) a[index];
}

复制

示例

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 在并发迭代访问时会抛出 ConcurrentModificationException 异常
        // 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();
    }
}