快捷搜索: 长连接 前端 源码 pan

java多线程(9)--同步类容器和并发类容器

一、同步类容器

同步类容器都是线程安全的,但在某些场景下可能需要加锁来保护复合操作。复合类操作如:迭代(反复访问元素,遍历完容器中的所有元素)、跳转(根据指定的顺序找到当前元素的下一个元素)、以及条件运算。这些复合操作在多线程并发的修改容器时,可能会表现出意外的行为,最经典的便是ConcurrentModificationException,原因是当容器迭代的过程中,被并发的修改了内容,这是由于早期迭代器设计的时候并没有考虑并发修改的问题。

同步类容器:如古老的Vector/HashTable。这些容器的同步功能其实都是有JDK的Collections.syncronized等工厂方法区创建实现的。其底层的机制无非就是用传统的synchronized关键字对每个公用的方法都进行同步,使得每次只能有一个线程访问容器的状态。这很明显不满足我们今天互联网时代高并发的需求,在保证线程安全的同时,也必须有足够好的性能。

二、并发类容器

jdk5.0以后提供了多种并发类容器来替代同步类从而改善性能。同步类容器的状态都是串行化的。他们虽然实现了线程安全,但是严重降低了并发性,在多线程环境时,严重降低了应用的吞吐量。

并发类容器时专门针对并发设计的,使用ConcurrentHashMap来代替给予散列的传统的HashTable,而且在ConcurrentHashMap中,添加了一些常见复合操作的支持。以及使用了CopyOnWriteArryList代替vector,并发的CopyonWriteArraySet以及并发的queue,ConcurrentLinkedQueue和LinkedBlockingQueue,前者是高性能的队列,后者是以阻塞形式的队列,具体实现Queue还有很多,例如ArrayBlockingQueue、PriorityBlockingQueue、SynchronousQueue等。

同步容器类的创建

在早期的JDK中,有两种现成的实现,Vector和Hashtable,可以直接new对象获取;

在JDK1.2中,引入了同步封装类,可以由Collections.synchronizedXxxx等方法创建;

同步容器类的问题

同步容器类虽然都是线程安全的,但是在某些情况下(复合操作),仍然需要加锁来保护;

常见复合操作如下:

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

举个条件运算的例子,代码如下:

package concurrency.old;

import java.util.Vector;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

//线程任务类,获取集合中的最后一个元素
class GetLast implements Runnable{

    private Vector<Integer> list;
    
    public GetLast(Vector<Integer> list) {
        this.list = list;
    }
    @Override
    public void run() {
        while(true){
            try{
                Test.getLast(list);
            }catch(Exception e){
                e.printStackTrace();
                System.out.println(e.getMessage() + " --- in class GetLast");
                break;
            }
            
        }
        
    }
    
}
//线程任务类,删除&添加元素
class DeleteAndAdd implements Runnable{

    private Vector<Integer> list;
    
    public DeleteAndAdd(Vector<Integer> list) {
        this.list = list;
    }
    @Override
    public void run() {
        while(true){
            try{
                Test.deleteAndAdd(list);
            }catch(Exception e){
                e.printStackTrace();
                System.out.println(e.getMessage() + " --- in class DeleteAndAdd");
                break;
            }
            
        }
        
    }
    
}

public class Test {

    //获取最后一个元素
    public static  Integer getLast(Vector<Integer> list){
        //这里根据list.size()得到最后一个元素的索引
        //换句话说,这条语句已经检查认为在集合list中存在索引为list.size() - 1的元素
        int lastIndex = list.size() - 1;
        
        if(lastIndex < 0) return null;
        
        //返回指定索引处的元素
        return list.get(lastIndex);
    }
    
    //删除元素,添加元素
    public static  void deleteAndAdd(Vector<Integer> list){
        int lastIndex = list.size() - 1;
        if(lastIndex < 0) return;
        list.remove(lastIndex);
        list.add(3);
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        Vector<Integer> vector = new Vector<Integer>();
        vector.add(1);
        vector.add(2);
        
        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
        
        GetLast gl = new GetLast(vector);
        DeleteAndAdd daa = new DeleteAndAdd(vector);
        
        exec.execute(gl);
        exec.execute(daa);
        
    }
}

运行以上程序,很快发现在getLast中抛出了java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException异常,原因在于getLast方法不是原子操作,调用size方法和get方法之间,其它线程执行了remove操作,导致容器大小变小,索引访问越界,抛出异常。

若想得到正确结果,可修改代码,对getLast和deleteAndAdd方法里的操作加锁(因为Vector内部是通过自身对象作为锁的,所以这里同样以Vector对象作为锁),使之成为原子操作,如下代码:

//获取最后一个元素
    public static  Integer getLast(Vector<Integer> list){
        synchronized(list){
            //这里根据list.size()得到最后一个元素的索引
            //换句话说,这条语句已经检查认为在容器list中存在索引为list.size() - 1的元素
            int lastIndex = list.size() - 1;
            
            if(lastIndex < 0) return null;
            
            //返回指定索引处的元素
            return list.get(lastIndex);
        }
    }
    
    //删除元素,添加元素
    public static  void deleteAndAdd(Vector<Integer> list){
        synchronized(list){
            int lastIndex = list.size() - 1;
            if(lastIndex < 0) return;
            list.remove(lastIndex);
            list.add(3);
        }
    }

另外,在对vector的元素遍历时(for循环方式),其它线程删除了容器中的一个元素,也会抛出异常 java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException异常,原因与上面提到的getLast方法一样,在访问最后一个元素的时候越界了;
for(int i = 0; i < vector.size(); i++){
            System.out.println(vector.get(i));
        }

一个可行的修改方式同样是对容器加锁,但代价较大,导致其它线程在迭代期间不能访问容器,降低了并发性;
synchronized(vector){
            for(int i = 0; i < vector.size(); i++){
                System.out.println(vector.get(i));
            }
        }

迭代器及快速失败机制

同步容器与非同步容器一样,在迭代期间,若其它线程并发修改该容器,会抛出ConcurrentModificationException异常,即快速失败机制,之前有写过相关内容,详见下面链接:

通过在容器迭代期间对容器加锁来解决该问题是一种方式,但并发性差,当容器规模大时,更加严重,而且还可能产生死锁问题;一种更优的解决方式,如上面链接里提到的,采用克隆容器(CopyOnWriteArrayList等),在副本上进行操作,但存在显著的性能开销,需要拷贝数组等操作,这种方式的好坏要看具体需求,如容器大小,执行的具体操作,调用频率等,一般当迭代操作远多于修改操作时,比较适用克隆容器;

另外,在集合中,有一些隐藏的迭代操作,如toString,equals,hashCode等方法,使用时需注意,也可能会抛出ConcurrentModificationException异常;

并发容器

同步容器对所有容器状态的访问都串行化,严重降低了并发性;当多个线程竞争锁时,吞吐量严重下降;

java5.0之后提供了多种并发容器来改善同步容器的性能,如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList、CopyOnWriteArraySet、ConcurrentSkipListMap等;

这里主要看下ConcurrentHashMap;

ConcurrentHashMap

采用分离锁技术,同步容器中,是一个容器一个锁,但在ConcurrentHashMap中,会将hash表的数组部分分成若干段,每段维护一个锁,以达到高效的并发访问;

迭代器弱一致性,迭代期间不会抛出ConcurrentModificationException异常;

size()、isEmpty()等方法返回的是一个近似值;

增加了若干原子操作方法,如putIfAbsent(没有改key,则添加);



一、同步类容器 同步类容器都是线程安全的,但在某些场景下可能需要加锁来保护复合操作。复合类操作如:迭代(反复访问元素,遍历完容器中的所有元素)、跳转(根据指定的顺序找到当前元素的下一个元素)、以及条件运算。这些复合操作在多线程并发的修改容器时,可能会表现出意外的行为,最经典的便是ConcurrentModificationException,原因是当容器迭代的过程中,被并发的修改了内容,这是由于早期迭代器设计的时候并没有考虑并发修改的问题。 同步类容器:如古老的Vector/HashTable。这些容器的同步功能其实都是有JDK的Collections.syncronized等工厂方法区创建实现的。其底层的机制无非就是用传统的synchronized关键字对每个公用的方法都进行同步,使得每次只能有一个线程访问容器的状态。这很明显不满足我们今天互联网时代高并发的需求,在保证线程安全的同时,也必须有足够好的性能。 二、并发类容器 jdk5.0以后提供了多种并发类容器来替代同步类从而改善性能。同步类容器的状态都是串行化的。他们虽然实现了线程安全,但是严重降低了并发性,在多线程环境时,严重降低了应用的吞吐量。 并发类容器时专门针对并发设计的,使用ConcurrentHashMap来代替给予散列的传统的HashTable,而且在ConcurrentHashMap中,添加了一些常见复合操作的支持。以及使用了CopyOnWriteArryList代替vector,并发的CopyonWriteArraySet以及并发的queue,ConcurrentLinkedQueue和LinkedBlockingQueue,前者是高性能的队列,后者是以阻塞形式的队列,具体实现Queue还有很多,例如ArrayBlockingQueue、PriorityBlockingQueue、SynchronousQueue等。 同步容器类的创建 在早期的JDK中,有两种现成的实现,Vector和Hashtable,可以直接new对象获取; 在JDK1.2中,引入了同步封装类,可以由Collections.synchronizedXxxx等方法创建; 同步容器类的问题 同步容器类虽然都是线程安全的,但是在某些情况下(复合操作),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; 举个条件运算的例子,代码如下: package concurrency.old; import java.util.Vector; import java.util.concurrent.ExecutorService; import java.util.concurrent.Executors; //线程任务类,获取集合中的最后一个元素 class GetLast implements Runnable{ private Vector list; public GetLast(Vector list) { this.list = list; } @Override public void run() { while(true){ try{ Test.getLast(list); }catch(Exception e){ e.printStackTrace(); System.out.println(e.getMessage() + " --- in class GetLast"); break; } } } } //线程任务类,删除&添加元素 class DeleteAndAdd implements Runnable{ private Vector list; public DeleteAndAdd(Vector list) { this.list = list; } @Override public void run() { while(true){ try{ Test.deleteAndAdd(list); }catch(Exception e){ e.printStackTrace(); System.out.println(e.getMessage() + " --- in class DeleteAndAdd"); break; } } } } public class Test { //获取最后一个元素 public static Integer getLast(Vector list){ //这里根据list.size()得到最后一个元素的索引 //换句话说,这条语句已经检查认为在集合list中存在索引为list.size() - 1的元素 int lastIndex = list.size() - 1; if(lastIndex < 0) return null; //返回指定索引处的元素 return list.get(lastIndex); } //删除元素,添加元素 public static void deleteAndAdd(Vector list){ int lastIndex = list.size() - 1; if(lastIndex < 0) return; list.remove(lastIndex); list.add(3); } public static void main(String[] args) { Vector vector = new Vector (); vector.add(1); vector.add(2); ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool(); GetLast gl = new GetLast(vector); DeleteAndAdd daa = new DeleteAndAdd(vector); exec.execute(gl); exec.execute(daa); } } 运行以上程序,很快发现在getLast中抛出了java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException异常,原因在于getLast方法不是原子操作,调用size方法和get方法之间,其它线程执行了remove操作,导致容器大小变小,索引访问越界,抛出异常。 若想得到正确结果,可修改代码,对getLast和deleteAndAdd方法里的操作加锁(因为Vector内部是通过自身对象作为锁的,所以这里同样以Vector对象作为锁),使之成为原子操作,如下代码: //获取最后一个元素 public static Integer getLast(Vector list){ synchronized(list){ //这里根据list.size()得到最后一个元素的索引 //换句话说,这条语句已经检查认为在容器list中存在索引为list.size() - 1的元素 int lastIndex = list.size() - 1; if(lastIndex < 0) return null; //返回指定索引处的元素 return list.get(lastIndex); } } //删除元素,添加元素 public static void deleteAndAdd(Vector list){ synchronized(list){ int lastIndex = list.size() - 1; if(lastIndex < 0) return; list.remove(lastIndex); list.add(3); } } 另外,在对vector的元素遍历时(for循环方式),其它线程删除了容器中的一个元素,也会抛出异常 java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException异常,原因与上面提到的getLast方法一样,在访问最后一个元素的时候越界了; for(int i = 0; i < vector.size(); i++){ System.out.println(vector.get(i)); } 一个可行的修改方式同样是对容器加锁,但代价较大,导致其它线程在迭代期间不能访问容器,降低了并发性; synchronized(vector){ for(int i = 0; i < vector.size(); i++){ System.out.println(vector.get(i)); } } 迭代器及快速失败机制 同步容器与非同步容器一样,在迭代期间,若其它线程并发修改该容器,会抛出ConcurrentModificationException异常,即快速失败机制,之前有写过相关内容,详见下面链接: 通过在容器迭代期间对容器加锁来解决该问题是一种方式,但并发性差,当容器规模大时,更加严重,而且还可能产生死锁问题;一种更优的解决方式,如上面链接里提到的,采用克隆容器(CopyOnWriteArrayList等),在副本上进行操作,但存在显著的性能开销,需要拷贝数组等操作,这种方式的好坏要看具体需求,如容器大小,执行的具体操作,调用频率等,一般当迭代操作远多于修改操作时,比较适用克隆容器; 另外,在集合中,有一些隐藏的迭代操作,如toString,equals,hashCode等方法,使用时需注意,也可能会抛出ConcurrentModificationException异常; 并发容器 同步容器对所有容器状态的访问都串行化,严重降低了并发性;当多个线程竞争锁时,吞吐量严重下降; java5.0之后提供了多种并发容器来改善同步容器的性能,如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList、CopyOnWriteArraySet、ConcurrentSkipListMap等; 这里主要看下ConcurrentHashMap; ConcurrentHashMap 采用分离锁技术,同步容器中,是一个容器一个锁,但在ConcurrentHashMap中,会将hash表的数组部分分成若干段,每段维护一个锁,以达到高效的并发访问; 迭代器弱一致性,迭代期间不会抛出ConcurrentModificationException异常; size()、isEmpty()等方法返回的是一个近似值; 增加了若干原子操作方法,如putIfAbsent(没有改key,则添加);
经验分享 程序员 微信小程序 职场和发展