C++并发编程——同步和并发容器及工具

 

ConcurrentHashMap 的加锁策略：并不是每个方法都在同一个锁上同步并使每次只能有一个线程访问容器，而是使用粒度更细的加锁机制来实现更大程度的共享，即分段锁机制。

ConcurrentHashMap 与其他并发容器一起增强了同步容器类：他们提供的迭代器不会抛出 ConcurrentModificationException ，因此不需要在迭代过程中对容器加锁。

     ConcurrentHashMap 返回的迭代器具有弱一致性，而非 “及时失败”。弱一致性的迭代器可以容忍并发的修改，当创建迭代器时会遍历已有的元素，并可以在迭代器被构造后将修改操作反映给容器。

     尽管有这些改进，但仍然有一些需要权衡的因素。对于一些需要在整个Map 上进行计算的方法，例如 size 和 isEmpty ，这些方法的寓意被略微减弱了以反映容器的并发特性。由于 size 方法返回的结果在计算时可能已经过期了，它实际上只是一个估计值，因此允许 size 返回一个近似值而不是一个精确值。虽然这看上去有些令人不安，但事实上 size 和 isEmpty 这样的方法在并发环境下的用处很小，因为他们的返回值总是在不断变化。因此，这些操作的需求被弱化了，以换取对其他更重要操作的性能优化，包括 get、put、containsKey 和 remove等。

     与 Hashtable 和 synchronizedMap 相比，ConcurrentHashMap 有更多的优势以及更少的劣势。因此在大多数情况下，用 ConcurrentHashMap 来代替同步 Map 能进一步提高代码的可伸缩性。只有当应用程序需要加锁Map 以进行独占访问时，才能放弃使用 ConcurrentHashMap。

     “写入时复制（Copy-On-Write）” 容器的线程安全性在于，只要正确的发布一个事实不可变对象，那么访问该对象时就不需要进一步的同步。每次修改的时候，都会创建并重新发布一个新的容器副本，从而实现可变性。“写入时复制”容器的迭代器保留一个指向底层基础数组的引用，这个数组当前位于迭代器的起始位置，由于他不会被修改，因此在对其进行同步时只需确保数组内容的可见性。因此，多个线程可以对这个容器进行迭代，而不会彼此干扰或者修改容器的线程相互干扰。 显然，每当修改容器时都会复制底层数组，这需要一定的开销，特别是当容器的规模较大时。仅当迭代操作远远多于修改操作时，才应该使用“写入时复制”容器。

     在构建高可靠的应用程序时，有界队列是一种强大的资源管理工具；它们能够意志或防止产生过多的工作项，使应用程序在负荷过载的情况下变得更加健壮。

     Thread提供了interrupt方法，用于中断线程或者查询线程是否已经被中断。每个线程都有一个布尔类型的属性，表示线程的中断状态，当中断线程时将设置这个状态。

     中断时一种协作机制。一个线程不能强制其他线程停止正在执行的操作而去执行其他的操作。当线程A中断B时，A仅仅是要求B在执行到某个可以暂停的地方停止正在执行的操作——前提是如果线程B愿意停下来。

计数信号量（Counting Semaphore）用来控制同时访问某个特定资源的操作数量，或者同时执行某个指定操作的数量。计数信号量还可以用来实现某种资源池，或者对容器施加边界。

Semaphore中管理着一组虚拟的许可（permit），许可的初始数量可通过构造函数来指定。在执行操作时可以首先获得许可（只要还有剩余的许可），并在使用以后释放即可。如果没有许可，那么aquire将阻塞直到有许可（或者直到被中断或者操作超时）。release方法将返回一个许可给信号量。

在这种实现中不包含真正的许可对象，并且Semaphore也不会将许可与线程关联起来，因此在一个线程中获得的许可可以在另一个线程中释放。 
可以将acquire操作视为是消费一个许可，而release操作是创建一个许可，Semaphore并不受限于它在创建时的初始许可数量。

计算信号量的一种简化形式是二值信号量，即初始值为1的Semaphore。二值信号量可以用作互斥体（mutex），并具备不可重入的加锁语义：谁拥有这个唯一的许可，谁就拥有了互斥锁。

Semaphore可以用于实现资源池，例如数据库连接池。我们可以构造一个固定长度的资源池，当池为空时，请求资源将会失败，但你真正希望看到的行为是阻塞而不是失败，并且当池非空时解除阻塞。如果将Semaphore的计数值初始化为池的大小，并在从池中获取一个资源之前先调用aquire方法获得一个许可，在将资源返回给池之后调用release释放许可，这样就实现了固定长度了。

同样，你可以使用Semaphore将任何一种容器变成有界阻塞容器，如下代码所示。信号量的计数值会初始化为容器容量的最大值。add操作在向底层容器中添加一个元素之前，首先需要获得一个许可。如果add操作没有添加任何元素，那么会立刻释放许可。同样remove操作释放一个许可，使更多的元素能够添加到容器中。底层的Set实现并不知道关于边界的任何信息，这是由BoundedHashSet来处理的。