一、为什么会出现同步容器?
在Java的集合容器框架中,主要有四大类别:List、Set、Queue、Map。
List、Set、Queue接口分别继承了Collection接口,Map本身是一个接口。
注意Collection和Map是一个顶层接口,而List、Set、Queue则继承了Collection接口,分别代表数组、集合和队列这三大类容器。
像ArrayList、LinkedList都是实现了List接口,HashSet实现了Set接口,而Deque(双向队列,允许在队首、队尾进行入队和出队操作)继承了Queue接口,PriorityQueue实现了Queue接口。另外LinkedList(实际上是双向链表)实现了了Deque接口。
像ArrayList、LinkedList、HashMap这些容器都是非线程安全的。
如果有多个线程并发地访问这些容器时,就会出现问题。
因此,在编写程序时,必须要求程序员手动地在任何访问到这些容器的地方进行同步处理,这样导致在使用这些容器的时候非常地不方便。
所以,Java提供了同步容器供用户使用。
二、Java中的同步容器类
在Java中,同步容器主要包括2类:
Vector、Stack、HashTable
Collections类中提供的静态工厂方法创建的类
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类是一个工具提供类,注意,它和Collection不同,Collection是一个顶层的接口。在Collections类中提供了大量的方法,比如对集合或者容器进行排序、查找等操作。最重要的是,在它里面提供了几个静态工厂方法来创建同步容器类,如下图所示:
3. 同步容器的缺陷
从同步容器的具体实现源码可知,同步容器中的方法采用了synchronized进行了同步,那么很显然,这必然会影响到执行性能,另外,同步容器就一定是真正地完全线程安全吗?不一定,这个在下面会讲到。
我们首先来看一下传统的非同步容器和同步容器的性能差异,我们以ArrayList和Vector为例:
1.性能问题
我们先通过一个例子看一下Vector和ArrayList在插入数据时性能上的差异:
public class Test {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ArrayList list = new ArrayList();
Vector vector = new Vector();
long start = System.currentTimeMillis();
for(int i=0;i<100000;i++)
list.add(i);
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("ArrayList进行100000次插入操作耗时:"+(end-start)+"ms");
start = System.currentTimeMillis();
for(int i=0;i<100000;i++)
vector.add(i);
end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("Vector进行100000次插入操作耗时:"+(end-start)+"ms");
}
}
这段代码在我机器上跑出来的结果是:
进行同样多的插入操作,Vector的耗时是ArrayList的两倍。
这只是其中的一方面性能问题上的反映。
另外,由于Vector中的add方法和get方法都进行了同步,因此,在有多个线程进行访问时,如果多个线程都只是进行读取操作,那么每个时刻就只能有一个线程进行读取,其他线程便只能等待,这些线程必须竞争同一把锁。
因此为了解决同步容器的性能问题,在Java 1.5中提供了并发容器,位于java.util.concurrent目录下,并发容器的相关知识将在下一篇文章中讲述。
2.同步容器真的是安全的吗?
也有有人认为Vector中的方法都进行了同步处理,那么一定就是线程安全的,事实上这可不一定。看下面这段代码:
public class Test {
static Vector vector = new Vector();
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;i10) {
}
}
}
}
在我机器上运行的结果:
正如大家所看到的,这段代码报错了:数组下标越界。
也许有朋友会问: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
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。
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 vector = new Vector();
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;i10) {
}
}
}
}
- ConcurrentModificationException异常
在对Vector等容器并发地进行迭代修改时,会报ConcurrentModificationException异常,但是在并发容器中不会出现这个问题。
ConcurrentModificationException异常出现的原因
先看下面这段代码:
public class Test {
public static void main(String[] args) {
ArrayList list = new ArrayList();
list.add(2);
Iterator iterator = list.iterator();
while(iterator.hasNext()){
Integer integer = iterator.next();
if(integer==2)
list.remove(integer);
}
}
}
运行结果:
从异常信息可以发现,异常出现在checkForComodification()方法中。
我们不忙看checkForComodification()方法的具体实现,我们先根据程序的代码一步一步看ArrayList源码的实现:
首先看ArrayList的iterator()方法的具体实现,查看源码发现在ArrayList的源码中并没有iterator()这个方法,那么很显然这个方法应该是其父类或者实现的接口中的方法,我们在其父类AbstractList中找到了iterator()方法的具体实现,下面是其实现代码:
public Iterator iterator() {
return new Itr();
}
从这段代码可以看出返回的是一个指向Itr类型对象的引用,我们接着看Itr的具体实现,在AbstractList类中找到了Itr类的具体实现,它是AbstractList的一个成员内部类,下面这段代码是Itr类的所有实现:
private class Itr implements Iterator {
int cursor = 0;
int lastRet = -1;
int expectedModCount = modCount;
public boolean hasNext() {
return cursor != size();
}
public E next() {
checkForComodification();
try {
E next = get(cursor);
lastRet = cursor++;
return next;
} catch (IndexOutOfBoundsException e) {
checkForComodification();
throw new NoSuchElementException();
}
}
public void remove() {
if (lastRet == -1)
throw new IllegalStateException();
checkForComodification();
try {
AbstractList.this.remove(lastRet);
if (lastRet < cursor)
cursor--;
lastRet = -1;
expectedModCount = modCount;
} catch (IndexOutOfBoundsException e) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
首先我们看一下它的几个成员变量:
cursor:表示下一个要访问的元素的索引,从next()方法的具体实现就可看出
lastRet:表示上一个访问的元素的索引
expectedModCount:表示对ArrayList修改次数的期望值,它的初始值为modCount。
modCount是AbstractList类中的一个成员变量
protected transient int modCount = 0;
该值表示对List的修改次数,查看ArrayList的add()和remove()方法就可以发现,每次调用add()方法或者remove()方法就会对modCount进行加1操作。
好了,到这里我们再看看上面的程序:
当调用list.iterator()返回一个Iterator之后,通过Iterator的hashNext()方法判断是否还有元素未被访问,我们看一下hasNext()方法,hashNext()方法的实现很简单:
public boolean hasNext() {
return cursor != size();
}
如果下一个访问的元素下标不等于ArrayList的大小,就表示有元素需要访问,这个很容易理解,如果下一个访问元素的下标等于ArrayList的大小,则肯定到达末尾了。
然后通过Iterator的next()方法获取到下标为0的元素,我们看一下next()方法的具体实现:
public E next() {
checkForComodification();
try {
E next = get(cursor);
lastRet = cursor++;
return next;
} catch (IndexOutOfBoundsException e) {
checkForComodification();
throw new NoSuchElementException();
}
}
这里是非常关键的地方:首先在next()方法中会调用checkForComodification()方法,然后根据cursor的值获取到元素,接着将cursor的值赋给lastRet,并对cursor的值进行加1操作。初始时,cursor为0,lastRet为-1,那么调用一次之后,cursor的值为1,lastRet的值为0。注意此时,modCount为0,expectedModCount也为0。
接着往下看,程序中判断当前元素的值是否为2,若为2,则调用list.remove()方法来删除该元素。
我们看一下在ArrayList中的remove()方法做了什么:
public boolean remove(Object o) {
if (o == null) {
for (int index = 0; index < size; index++)
if (elementData[index] == null) {
fastRemove(index);
return true;
}
} else {
for (int index = 0; index < size; index++)
if (o.equals(elementData[index])) {
fastRemove(index);
return true;
}
}
return false;
}
private void fastRemove(int index) {
modCount++;
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
elementData[--size] = null; // Let gc do its work
}
通过remove方法删除元素最终是调用的fastRemove()方法,在fastRemove()方法中,首先对modCount进行加1操作(因为对集合修改了一次),然后接下来就是删除元素的操作,最后将size进行减1操作,并将引用置为null以方便垃圾收集器进行回收工作。
那么注意此时各个变量的值:对于iterator,其expectedModCount为0,cursor的值为1,lastRet的值为0。
对于list,其modCount为1,size为0。
接着看程序代码,执行完删除操作后,继续while循环,调用hasNext方法()判断,由于此时cursor为1,而size为0,那么返回true,所以继续执行while循环,然后继续调用iterator的next()方法:
注意,此时要注意next()方法中的第一句:checkForComodification()。
在checkForComodification方法中进行的操作是:
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
如果modCount不等于expectedModCount,则抛出ConcurrentModificationException异常。
很显然,此时modCount为1,而expectedModCount为0,因此程序就抛出了ConcurrentModificationException异常。
到这里,想必大家应该明白为何上述代码会抛出ConcurrentModificationException异常了。
关键点就在于:调用list.remove()方法导致modCount和expectedModCount的值不一致。
注意,像使用for-each进行迭代实际上也会出现这种问题。
在单线程环境下的解决办法
既然知道原因了,那么如何解决呢?
其实很简单,细心的朋友可能发现在Itr类中也给出了一个remove()方法:
public void remove() {
if (lastRet == -1)
throw new IllegalStateException();
checkForComodification();
try {
AbstractList.this.remove(lastRet);
if (lastRet < cursor)
cursor--;
lastRet = -1;
expectedModCount = modCount;
} catch (IndexOutOfBoundsException e) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
在这个方法中,删除元素实际上调用的就是list.remove()方法,但是它多了一个操作:
expectedModCount = modCount;
因此,在迭代器中如果要删除元素的话,需要调用Itr类的remove方法。
将上述代码改为下面这样就不会报错了:
public class Test {
public static void main(String[] args) {
ArrayList list = new ArrayList();
list.add(2);
Iterator iterator = list.iterator();
while(iterator.hasNext()){
Integer integer = iterator.next();
if(integer==2)
iterator.remove(); //注意这个地方
}
}
}
在多线程环境下的解决方法
上面的解决办法在单线程环境下适用,但是在多线程下适用吗?看下面一个例子:
public class Test {
static ArrayList list = new ArrayList();
public static void main(String[] args) {
list.add(1);
list.add(2);
list.add(3);
list.add(4);
list.add(5);
Thread thread1 = new Thread(){
public void run() {
Iterator iterator = list.iterator();
while(iterator.hasNext()){
Integer integer = iterator.next();
System.out.println(integer);
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
};
Thread thread2 = new Thread(){
public void run() {
Iterator iterator = list.iterator();
while(iterator.hasNext()){
Integer integer = iterator.next();
if(integer==2)
iterator.remove();
}
};
};
thread1.start();
thread2.start();
}
}
运行结果:
有可能有朋友说ArrayList是非线程安全的容器,换成Vector就没问题了,实际上换成Vector还是会出现这种错误。
原因在于,虽然Vector的方法采用了synchronized进行了同步,但是实际上通过Iterator访问的情况下,每个线程里面返回的是不同的iterator,也即是说expectedModCount是每个线程私有。假若此时有2个线程,线程1在进行遍历,线程2在进行修改,那么很有可能导致线程2修改后导致Vector中的modCount自增了,线程2的expectedModCount也自增了,但是线程1的expectedModCount没有自增,此时线程1遍历时就会出现expectedModCount不等于modCount的情况了。
因此一般有2种解决办法:
1)在使用iterator迭代的时候使用synchronized或者Lock进行同步;
2)使用并发容器CopyOnWriteArrayList代替ArrayList和Vector。
关于并发容器的内容将在下一篇文章中讲述。