爲了方便編寫出線程安全的程序,Java裏面提供了一些線程安全類和併發工具,比如:同步容器、併發容器、阻塞隊列、Synchronizer(比如CountDownLatch)。今天我們就來討論下同步容器。
以下是本文的目錄大綱:
一.爲什麼會出現同步容器?
二.Java中的同步容器類
三.同步容器的缺陷
一.爲什麼會出現同步容器?
在Java的集合容器框架中,主要有四大類別:List、Set、Queue、Map。
List、Set、Queue接口分別繼承了Collection接口,Map本身是一個接口。
注意Collection和Map是一個頂層接口,而List、Set、Queue則繼承了Collection接口,分別代表數組、集合和隊列這三大類容器。
像ArrayList、LinkedList都是實現了List接口,HashSet實現了Set接口,而Deque(雙向隊列,允許在隊首、隊尾進行入隊和出隊操作)繼承了Queue接口,PriorityQueue實現了Queue接口。另外LinkedList(實際上是雙向鏈表)實現了了Deque接口。
像ArrayList、LinkedList、HashMap這些容器都是非線程安全的。
如果有多個線程併發地訪問這些容器時,就會出現問題。
因此,在編寫程序時,必須要求程序員手動地在任何訪問到這些容器的地方進行同步處理,這樣導致在使用這些容器的時候非常地不方便。
所以,Java提供了同步容器供用戶使用。
二.Java中的同步容器類
在Java中,同步容器主要包括2類:
1)Vector、Stack、HashTable
2)Collections類中提供的靜態工廠方法創建的類
Vector實現了List接口,Vector實際上就是一個數組,和ArrayList類似,但是Vector中的方法都是synchronized方法,即進行了同步措施。
Stack也是一個同步容器,它的方法也用synchronized進行了同步,它實際上是繼承於Vector類。
HashTable實現了Map接口,它和HashMap很相似,但是HashTable進行了同步處理,而HashMap沒有。
Collections類是一個工具提供類,注意,它和Collection不同,Collection是一個頂層的接口。在Collections類中提供了大量的方法,比如對集合或者容器進行排序、查找等操作。最重要的是,在它裏面提供了幾個靜態工廠方法來創建同步容器類,如下圖所示:
三.同步容器的缺陷
從同步容器的具體實現源碼可知,同步容器中的方法採用了synchronized進行了同步,那麼很顯然,這必然會影響到執行性能,另外,同步容器就一定是真正地完全線程安全嗎?不一定,這個在下面會講到。
我們首先來看一下傳統的非同步容器和同步容器的性能差異,我們以ArrayList和Vector爲例:
1.性能問題
我們先通過一個例子看一下Vector和ArrayList在插入數據時性能上的差異:
public class Test {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
Vector<Integer> vector = new Vector<Integer>();
long start = System.currentTimeMillis();
for(int i=0;i<100000;i++)
list.add(i);
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("ArrayList進行100000次插入操作耗時:"+(end-start)+"ms");
start = System.currentTimeMillis();
for(int i=0;i<100000;i++)
vector.add(i);
end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("Vector進行100000次插入操作耗時:"+(end-start)+"ms");
}
}
這段代碼在我機器上跑出來的結果是:
進行同樣多的插入操作,Vector的耗時是ArrayList的兩倍。
這只是其中的一方面性能問題上的反映。
另外,由於Vector中的add方法和get方法都進行了同步,因此,在有多個線程進行訪問時,如果多個線程都只是進行讀取操作,那麼每個時刻就只能有一個線程進行讀取,其他線程便只能等待,這些線程必須競爭同一把鎖。
因此爲了解決同步容器的性能問題,在Java 1.5中提供了併發容器,位於java.util.concurrent目錄下,併發容器的相關知識將在下一篇文章中講述。
2.同步容器真的是安全的嗎?
也有有人認爲Vector中的方法都進行了同步處理,那麼一定就是線程安全的,事實上這可不一定。看下面這段代碼:
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) {
}
}
}
}
在我機器上運行的結果:
正如大家所看到的,這段代碼報錯了:數組下標越界。
也許有朋友會問:Vector是線程安全的,爲什麼還會報這個錯?很簡單,對於Vector,雖然能保證每一個時刻只能有一個線程訪問它,但是不排除這種可能:
當某個線程在某個時刻執行這句時:
for(int i=0;i<vector.size();i++)
vector.get(i);
假若此時vector的size方法返回的是10,i的值爲9
然後另外一個線程執行了這句:
for(int i=0;i<vector.size();i++)
vector.remove(i);
將下標爲9的元素刪除了。
那麼通過get方法訪問下標爲9的元素肯定就會出問題了。
因此爲了保證線程安全,必須在方法調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Vector等容器併發地進行迭代修改時,會報ConcurrentModificationException異常,關於這個異常將會在後續文章中講述。
但是在併發容器中不會出現這個問題。
參考資料:
《深入理解Java虛擬機》
《Java併發編程實戰》
http://thinkgeek.diandian.com/post/2012-03-24/17905694
http://blog.csdn.net/cutesource/article/details/5780740
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