前言

Java并发包有很大一部分都是关于并发容器的。Java在5.0版本之前线程安全的容器称之为同步容器。同步容器实现线程安全的方式:是将每个公有方法都使用synchronized修饰,保证每次只有一个线程能访问容器的状态。但是这样的串行度太高,将严重降低并发性,当多个线程竞争容器的锁时,吞吐量将严重降低。因此,在Java 5.0版本时提供了性能更高的容器来改进之前的同步容器,我们称其为并发容器

下面我们先来介绍Java 5.0之前的同步容器,然后再来介绍Java 5.0之后的并发容器。

Java 5.0之前的同步容器

目前,Java中的容器主要可分为四大类,分别为ListMapSetQueue(Queue是Java5.0添加的新的容器类型),但是并不是所有的Java容器都是线程安全的。例如,我们常用的ArrayListHashMap就不是线程安全的。线程安全的类为VectorStackHashTable

如何将非线程安全的类变为线程安全的类?

非线程安全的容器类可以由Collections类提供的Collections.synchronizedXxx()工厂方法将其包装为线程安全的类。

// 分别将ArrayList、HashMap和HashSet包装成线程安全的List 、Map和Set
List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList());
Set set = Collections.synchronizedSet(new HashSet());
Map map = Collections.synchronizedMap(new HashMap());

这些类实现线程安全的方式是:将它们的状态封装起来,并对每个公有方法进行同步,使得每次只有一个线程能访问容器的状态。以ArrayList为例,可以使用如下的代码来理解如何将非线程安全的容器包装为线程安全的容器。

// 包装 ArrayList
SafeArrayList<T>{
List<T> c = new ArrayList<>();
// 控制访问路径,使用synchronized修饰保证线程互斥访问
synchronized T get(int idx){
return c.get(idx);
}
synchronized void add(int idx, T t) {
c.add(idx, t);
}
synchronized boolean addIfNotExist(T t){
if(!c.contains(t)) {
c.add(t);
return true;
}
return false;
}
}

被包装出来的线程安全的类,都是基于synchronized同步关键字实现,于是被成为同步容器。而原本的线程安全的容器类Vector等,同样也是基于synchronized关键字实现的。

同步容器在复合操作中的问题

同步容器类都是线程安全的,但是复合操作往往都会包含竞态条件问题。这时就需要额外的客户端加锁来保证复合操作的原子性。

在下例\(^{[2]}\)中,定义了两个方法getLast()deleteLast(),它们都会执行“先检查后执行再运行”操作。每个方法首先都获得数组的大小,然后通过结果来获取或删除最后一个元素。

public class UnsafeVectorHelpers {
public static Object getLast(Vector list) {
int lastIndex = list.size() - 1;
return list.get(lastIndex);
} public static void deleteLast(Vector list) {
int lastIndex = list.size() - 1;
list.remove(lastIndex);
}
}

如果线程同时调用相同的方法,这将不会产生什么问题。但是从调用者方向看,这将导致非常严重的后果。如果线程A在包含10个元素的Vector上调用getLast,同时线程B在同一个Vector上调用deleteLast,这些操作的交替若如下所示,那么getLast将抛出ArrayIndexOutOfBoundsException异常。

线程A在调用size()与getLast()这两个操作之间,Vector变小了,因此在调用size时得到的索引值将不再有效。

于是我们便需要在客户端加锁实现新操作的原子性。那么就需要考虑对哪个锁对象进行加锁。

同步容器类通过加锁自身(this)来保护它的每个方法,于是在这里我们锁住list对象便可以保证getLast()和deleteLast()成为原子性操作。

public class SafeVectorHelpers {
public static Object getLast(Vector list) {
synchronized (list) {
int lastIndex = list.size() - 1;
return list.get(lastIndex);
}
} public static void deleteLast(Vector list) {
synchronized (list) {
int lastIndex = list.size() - 1;
list.remove(lastIndex);
}
}
}

在对Vector中元素进行迭代\(^{[2]}\)时,调用size()和相应的get()之间Vector的大小可能发生变化的情况也会出现。

for(int i=0; i<vector.size(); i++){
doSomething(vector.get(i));
}

与getLast()一样,如果在对Vector进行迭代时,另一个线程删除了一个元素,并且删除和访问这两个操作交替执行,那么上面的方法将抛出ArrayIndexOutOfBoundsException异常。

同样,我们可以通过在客户端加锁来防止其他线程在迭代期间修改Vector。

synchronized(vector){
for(int i=0; i<vector.size(); i++){
doSomething(vector.get(i));
}
}

有得必有失,以上代码将会导致其他线程在迭代期间无法访问vector,因此也降低了并发性。

迭代器与ConcurrentModificationException

无论是使用for循环迭代,还是使用Java 5.0引入的for-each循环语法,对容器类进行迭代的标准方式都是使用Iterator。同样,如果在使用迭代器访问容器期间,有线程并发地修改容器的大小,也是需要对迭代操作进行加锁,即如下\({^{[1]}}\)。

List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList());
synchronized (list) {  
Iterator i = list.iterator();
while (i.hasNext())
foo(i.next());
}   

在设计同步容器类的迭代器时没有考虑到并发修改的问题,当出现如上情况时,它们表现出来的行为是“及时失败”(fail-fast)的。当它们发现容器在迭代过程中被修改时,就会立即抛出一个ConcurrentModificationException异常。

这种fail-fast的迭代器并不是一种完备的处理机制,而只是“善意地”捕获并发错误,因此只能作为并发问题的预警指示器。这种机制的实现方式是:使用一个计数器modCount记录容器大小改变的次数,在进行迭代期间,如果该计数器值与刚进入迭代时不一致,那么hasNext()或next()将抛出ConcurrentModificationException异常。

但是,对计数器的值的检查时是没有在同步情况下进行的,因此可能会看到失效的计数值,导致迭代器没有意识到容器已经发生了修改。这是一种设计上的权衡,从而降低并发修改操作的检测代码对程序性能带来的影响。

更多的时候,我们是不希望在迭代期间对容器加锁。如果容器规模很大,在加锁迭代后,那么在迭代期间其他线程都不能访问该容器。这将降低程序的可伸缩性以及引起激烈的锁竞争降低吞吐量和CPU利用率。

一种替代加锁迭代的方法为“克隆”容器,并在副本上迭代。副本是线程封闭的,自然也就是安全的。但是克隆的过程也需要对容器加锁,且也存在一定的开销,需考虑使用。

隐藏的迭代器

容器的hashCode()equals()等方法也会间接地执行迭代操作,当容器作为另一个容器的元素或键值时,就会出现这种情况。同样,containsAll()removeAll()retainAll()等方法,以及把容器作为参数的构造函数,都会对容器进行迭代。所有这些间接迭代操作都可能抛出ConcurrentModificationException异常。

Java 5.0的并发容器

在Java 5.0版本时提供了性能更高的容器来改进之前的同步容器,我们称之为并发容器。并发容器虽然多,但是总结下来依旧为四大类:ListMapSetQueue

List

CopyOnWriteArrayList是用于替代同步List的并发容器,在迭代期间不需要对容器进行加锁或复制。写时复制(CopyOnWrite)的线程安全性体现在,只要正确地发布一个事实不可变的对象,那么在访问该对象时就不再需要进一步的同步。而在每次进行写操作时,便会创建一个副本出来,从而实现可变性。“写时复制”容器返回的迭代器不会抛出ConcurrentModificationException,因为迭代器在迭代过程中,如果对象会被修改则会创建一个副本被修改,被迭代的对象依旧是原来的。

CopyOnWriteArrayList仅适用于写操作非常少的场景,而且能够容忍短暂的不一致。CopyOnWriteArrayList迭代器是只读的,不支持增删改。因为迭代器遍历的仅仅是一个快照,而对快照进行增删改是没有意义的。

Map

ConcurrentHashMapConcurrentSkipListMap的区别为:ConcurrentHashMap的key是无序的,而ConcurrentSkipListMap的key是有序的。使用这两者时,它们的key和value都不能为空,否则会抛出NullPointerException异常。

Map有关实现类对于key和value的要求:

集合类 Key Value 是否线程安全
HashMap 允许为null 允许为null
TreeMap 不允许为null 允许为null
HashTable 不允许为null 不允许为null
ConcurrentHashMap 不允许为null 不允许为null
ConcurrentSkipListMap 不允许为null 不允许为null

与HashMap一样,ConcurrentHashMap也是一个基于散列的Map,它使用分段锁实现了更大程度的共享。任意数量的读取线程可以并发地访问Map,执行读取的线程和执行写入的线程可以并发地访问Map,并且一定数量的写入线程可以并发地修改Map。ConcurrentHashMap在并发环境下可以实现更高的吞吐量,而在单线程环境中只损失非常小的性能。

ConcurrentHashMap返回的迭代器也不会抛出ConcurrentModificationException,因此不需要在迭代期间对容器加锁。ConcurrentHashMap返回的迭代器具有弱一致性(Weakly Consistent),而并非fail-fast的。弱一致性的迭代器可以容忍并发的修改,当创建迭代器会遍历已有的元素,并可以(但是不保证)在迭代器被构建后将修改操作反映给容器。

ConcurrentHahsMap是对Map进行分段加锁,没有实现独占。所有需要独占访问功能的,应该使用其他并发容器。

ConcurrentSkipListMap里面的SkipList本身就是一种数据结构,中文翻译为“跳表”。跳表插入、删除、查询操作平均时间复杂度为O(log n)。返回的迭代器也是弱一致性的,也不会抛出ConcurrentModificationException。

Set

Set接口下,两个并发容器是CopyOnWriteArraySetConcurrentSkipListSet,可参考CopyOnWriteArrayList和ConcurrentSkipListMap理解。

Queue

Java并发包中Queue下的并发容器是最复杂的,可以从下面两个维度来分类:

  1. 阻塞和非阻塞

    阻塞队列是指当队列已满时,入队操作阻塞;当队列为空时,出对操作阻塞。

  2. 单端和双端

    单端队列指的是只能从队尾入队,队首出队;双端指的是队首队尾皆可出队。

在Java并发包中,阻塞队列都有Blocking标识,单端队列是用Queue标识,而双端队列是Deque标识。以上两个维度可组合,于是分为四类并发容器:单端阻塞队列、双端阻塞队列、单端非阻塞队列、双端非阻塞队列。

在使用队列时,需要格外注意队列是否为有界队列(内部的队列是否容量有限),无界队列在数据量大时,会导致OOM即内存溢出。

在有Queue的具体实现的并发容器中,只有ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue是支持有界的,其余都是无界队列。

小结

这篇文章从宏观层面介绍了Java并发包中的并发工具类,对每个容器类仅做了简单介绍,后续将附文介绍每一个容器类。

参考:

[1]极客时间专栏王宝令《Java并发编程实战》

[2]Brian Goetz.Tim Peierls. et al.Java并发编程实战[M].北京:机械工业出版社,2016

【Java并发工具类】Java并发容器的更多相关文章

  1. Java并发工具类之并发数控制神器Semaphore

    Semaphore(信号量)使用来控制通知访问特定资源的线程数量,它通过协调各个线程,以保证合理的使用公共资源. 我们可以这么理解Semaphore,比如一个厕所只有6个坑,同时只能满足6个人上厕所( ...

  2. Java并发编程系列-(2) 线程的并发工具类

    2.线程的并发工具类 2.1 Fork-Join JDK 7中引入了fork-join框架,专门来解决计算密集型的任务.可以将一个大任务,拆分成若干个小任务,如下图所示: Fork-Join框架利用了 ...

  3. 《Java并发编程的艺术》第6/7/8章 Java并发容器与框架/13个原子操作/并发工具类

    第6章 Java并发容器和框架 6.1  ConcurrentHashMap(线程安全的HashMap.锁分段技术) 6.1.1 为什么要使用ConcurrentHashMap 在并发编程中使用Has ...

  4. Java并发多线程 - 并发工具类JUC

    安全共享对象策略 1.线程限制 : 一个被线程限制的对象,由线程独占,并且只能被占有它的线程修改 2.共享只读 : 一个共享只读的对象,在没有额外同步的情况下,可以被多个线程并发访问, 但是任何线程都 ...

  5. Java多线程并发工具类-信号量Semaphore对象讲解

    Java多线程并发工具类-Semaphore对象讲解 通过前面的学习,我们已经知道了Java多线程并发场景中使用比较多的两个工具类:做加法的CycliBarrier对象以及做减法的CountDownL ...

  6. Java线程的并发工具类

    Java线程的并发工具类. 一.fork/join 1. Fork-Join原理 在必要的情况下,将一个大任务,拆分(fork)成若干个小任务,然后再将一个个小任务的结果进行汇总(join). 适用场 ...

  7. 【重学Java】多线程进阶(线程池、原子性、并发工具类)

    线程池 线程状态介绍 当线程被创建并启动以后,它既不是一启动就进入了执行状态,也不是一直处于执行状态.线程对象在不同的时期有不同的状态.那么Java中的线程存在哪几种状态呢?Java中的线程 状态被定 ...

  8. java 并发工具类CountDownLatch & CyclicBarrier

    一起在java1.5被引入的并发工具类还有CountDownLatch.CyclicBarrier.Semaphore.ConcurrentHashMap和BlockingQueue,它们都存在于ja ...

  9. Java并发工具类 - CountDownLatch

    Java并发工具类 - CountDownLatch 1.简介 CountDownLatch是Java1.5之后引入的Java并发工具类,放在java.util.concurrent包下面 http: ...

随机推荐

  1. 一键部署k8s 、docker 工具集——最新版本

  2. 6441. 【GDOI2020模拟01.17】小 ω 维护序列

    Description Input Output 输出到标准输出流中. 若干行,对于每个操作 1 和操作 5,输出一个数表示答案. Sample Input Sample Input1 5 8 1 2 ...

  3. Spring学习记录1——IoC容器

    IoC容器 1.1  IoC概述 Ioc(Inverse of Control,控制反转)是Spring容器的内核.对于软件来说,即某一接口具体实现类的选择控制权从调用类中移除,转交给第三方决定,即由 ...

  4. Quartz定时任务整理

    一. 介绍 Quartz是一个开源的定时任务调度框架,这里就不详细介绍了,我们直入主题Quartz主要由三部分组成 任务:JobDetail 触发器:Trigger,(分两类:SimpleTrigge ...

  5. 如何学习理解Redux Middleware

    Redux中的middleware其实就像是给你提供一个在action发出到实际reducer执行之前处理一些事情的机会.可以允许我们添加自己的逻辑在这段当中.它提供的是位于 action 被发起之后 ...

  6. 使用 LinkedBlockingQueue 实现简易版线程池

    前一阵子在做联系人的导入功能,使用POI组件解析Excel文件后获取到联系人列表,校验之后批量导入.单从技术层面来说,导入操作通常情况下是一个比较耗时的操作,而且如果联系人达到几万.几十万级别,必须拆 ...

  7. Java电商支付系统手把手实现(二) - 数据库表设计的最佳实践

    1 数据库设计 1.1 表关系梳理 仔细思考业务关系,得到如下表关系图 1.2 用户表结构 1.3 分类表结构 id=0为根节点,分类其实是树状结构 1.4 商品表结构 注意价格字段的类型为 deci ...

  8. PHP——foreach

    一.foreach 在PHP中foreach循环语句,常用于遍历数组,一般有两种使用方式:不取下标.取下标 (一)只取值,不取下标 <?php foreach (数组 as 值){ //执行的任 ...

  9. 6、python基本数据类型之序列类型

    前言:python的基本数据类型可以分为三类:数值类型.序列类型.散列类型,本文主要介绍序列类型及其通用操作. 一.序列类型 1)字符串(str):用单引号('),双引号("),三引号(三单 ...

  10. python实现数据结构-栈

    注:本文档主要是学习<Python核心编程(第二版)>时的练习题. 栈是一种"后进先出"的数据结构(LIFO),是一种操作受限的线性结构,数据只能从栈顶进入和栈顶出去. ...