Java中的同步容器是什么

這篇文章主要介紹“Java中的同步容器是什么”，在日常操作中，相信很多人在Java中的同步容器是什么問題上存在疑惑，小編查閱了各式資料，整理出簡單好用的操作方法，希望對大家解答”Java中的同步容器是什么”的疑惑有所幫助！接下來，請跟著小編一起來學習吧！

簡介

同步容器主要分兩類，一種是Vector這樣的普通類，一種是通過Collections的工廠方法創建的內部類

雖然很多人都對同步容器的性能低有偏見，但它也不是一無是處，在這里我們插播一條阿里巴巴的開發手冊規范：

高并發時，同步調用應該去考量鎖的性能損耗。能用無鎖數據結構，就不要用鎖；能鎖區塊，就不要鎖整個方法體；能用對象鎖，就不要用類鎖。

可以看到，只有在高并發才會考慮到鎖的性能問題，所以在一些小而全的系統中，同步容器還是有用武之地的（當然也可以考慮并發容器，后面章節再討論）

附言：這不是洗白貼

目錄

我們這里分三步來分析：

1. 什么是同步容器

2. 為什么要有同步容器

3. 同步容器的優缺點

4. 同步容器的使用場景

正文

1. 什么是同步容器

定義：就是把容器類同步化，這樣我們在并發中使用容器時，就不用手動同步，因為內部已經自動同步了

例子：比如Vector就是一個同步容器類，它的同步化就是把內部的所有方法都上鎖（有的重載方法沒上鎖，但是最終調用的方法還是有鎖的）

源碼：Vector.add

// 通過synchronized為add方法上鎖
public synchronized boolean add(E e) {
  modCount++;
  ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
  elementData[elementCount++] = e;
  return true;
}

同步容器主要分兩類：

1. 普通類：Vector、Stack、HashTable

2. 內部類：Collections創建的內部類，比如Collections.SynchronizedList、 Collections.SynchronizedSet等

那這兩種有沒有區別呢？

當然是有的，剛開始的時候(Java1.0)只有第一種同步容器(Vector等)

但是因為Vector這種類太局氣了，它就想著把所有的東西都弄過來自己搞(Vector通過toArray轉為己有,HashTable通過putAll轉為己有）；

源碼：Vector構造函數

public Vector(Collection<? extends E> c) {
	// 這里通過toArray將傳來的集合 轉為己有
  elementData = c.toArray();
  elementCount = elementData.length;
  // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
  if (elementData.getClass() != Object[].class)
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, elementCount, Object[].class);
}

所以就有了第二種同步容器類(通過工廠方法創建的內部容器類)，它就比較聰明了，它只是把原有的容器進行包裝（通過this.list = list直接指向需要同步的容器)，然后局部加鎖，這樣一來，即生成了線程安全的類，又不用太費力；

源碼：Collections.SynchronizedList構造函數

SynchronizedList(List<E> list) {
  super(list);
  // 這里只是指向傳來的list，不轉為己有，后面的相關操作還是基于原有的list集合
  this.list = list;
}

他們之間的區別如下：

這里我們重點說下鎖的對象：

• 普通類鎖的是當前對象this（鎖在方法上，默認this對象）；

• 內部類鎖的是mutex屬性，這個屬性默認是this，但是可以通過構造函數（或工廠方法）來指定鎖的對象

源碼：Collections.SynchronizedCollection構造函數

final Collection<E> c;  // Backing Collection
// 這個就是鎖的對象
final Object mutex;     // Object on which to synchronize

SynchronizedCollection(Collection<E> c) {
  this.c = Objects.requireNonNull(c);
// 初始化為 this
  mutex = this;
}

SynchronizedCollection(Collection<E> c, Object mutex) {
  this.c = Objects.requireNonNull(c);
  this.mutex = Objects.requireNonNull(mutex);
}

這里要注意一點就是，內部類的迭代器沒有同步(Vector的迭代器有同步），需要手動加鎖來同步

源碼：Vector.Itr.next 迭代方法（有上鎖）

public E next() {
  synchronized (Vector.this) {
    checkForComodification();
    int i = cursor;
    if (i >= elementCount)
      throw new NoSuchElementException();
    cursor = i + 1;
    return elementData(lastRet = i);
  }
}

源碼：Collections.SynchronizedCollection.iterator 迭代器（沒上鎖）

public Iterator<E> iterator() {
  // 這里會直接實現類的迭代器（比如ArrayList，它里面的迭代器肯定是沒上鎖的）
  return c.iterator(); // Must be manually synched by user!
}

2. 為什么要有同步容器

因為普通的容器類（比如ArrayList)是線程不安全的，如果是在并發中使用，我們就需要手動對其加鎖才會安全，這樣的話就很麻煩；

所以就有了同步容器，它來幫我們自動加鎖

下面我們用代碼來對比下

線程不安全的類：ArrayList

public class SyncCollectionDemo {
    
    private List<Integer> listNoSync;

    public SyncCollectionDemo() {
        this.listNoSync = new ArrayList<>();
    }

    public void addNoSync(int temp){
        listNoSync.add(temp);
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SyncCollectionDemo demo = new SyncCollectionDemo();
				// 創建10個線程
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
					// 每個線程執行100次添加操作
          new Thread(()->{
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    demo.addNoSync(j);
                }
            }).start();
        }
    }
}

上面的代碼看似沒問題，感覺就算有問題也應該是插入的順序比較亂（多線程交替插入）

但實際上運行會發現，可能會報錯數組越界，如下所示：

原因有二：

1. 因為ArrayList.add操作沒有加鎖，導致多個線程可以同時執行add操作

2. add操作時，如果發現list的容量不足，會進行擴容，但是由于多個線程同時擴容，就會出現擴容不足的問題

源碼：ArrayList.grow擴容

// 擴容方法
private void grow(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
				// 這里可以看到，每次擴容增加一半的容量
  			int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }

可以看到，擴容是基于之前的容量進行的，因此如果多個線程同時擴容，那擴容基數就不準確了，結果就會有問題

線程安全的類：Collections.SynchronizedList

/**
 * <p>
 *  同步容器類：為什么要有它
 * </p>
 *
 * @author: JavaLover
 * @time: 2021/5/3
 */
public class SyncCollectionDemo {

    private List<Integer> listSync;

    public SyncCollectionDemo() {
      	// 這里包裝一個空的ArrayList
        this.listSync = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
    }

    public void addSync(int j){
      	// 內部是同步操作: synchronized (mutex) {return c.add(e);}
        listSync.add(j);
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SyncCollectionDemo demo = new SyncCollectionDemo();

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(()->{
                for (int j = 0; j < 100; j++) {
                    demo.addSync(j);
                }
            }).start();
        }

        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
      	// 輸出1000
        System.out.println(demo.listSync.size());
    }
}

輸出正確，因為現在ArrayList被Collections包裝成了一個線程安全的類

這就是為啥會有同步容器的原因：因為同步容器使得并發編程時，線程更加安全

3. 同步容器的優缺點

一般來說，都是先說優點，再說缺點

但是我們這次先說優點

優點：

• 并發編程中，獨立操作是線程安全的，比如單獨的add操作

缺點（是的，優點已經說完了）：

• 性能差，基本上所有方法都上鎖，完美的詮釋了“寧可錯殺一千，不可放過一個”

• 復合操作，還是不安全，比如putIfAbsent操作（如果沒有則添加）

• 快速失敗機制，這種機制會報錯提示ConcurrentModificationException，一般出現在當某個線程在遍歷容器時，其他線程恰好修改了這個容器的長度

為啥第三點是缺點呢？

因為它只能作為一個建議，告訴我們有并發修改異常，但是不能保證每個并發修改都會爆出這個異常

爆出這個異常的前提如下：

源碼：Vector.Itr.checkForComodification 檢查容器修改次數

final void checkForComodification() {
  // modCount：容器的長度變化次數， expectedModCount：期望的容器的長度變化次數
  if (modCount != expectedModCount)
    throw new ConcurrentModificationException();
}

那什么情況下并發修改不會爆出異常呢？有兩種：

1. 遍歷沒加鎖的情況：對于第二種同步容器(Collections內部類)來說，假設線程A修改了modCount的值，但是沒有同步到線程B，那么線程B遍歷就不會發生異常（但實際上問題已經存在了，只是暫時沒有出現）

2. 依賴線程執行順序的情況：對于所有的同步容器來說，假設線程B已經遍歷完了容器，此時線程A才開始遍歷修改，那么也不會發生異常

代碼就不貼了，大家感興趣的可以直接寫幾個線程遍歷試試，多運行幾次，應該就可以看到效果(不過第一種情況也是基于理論分析，實際代碼我這邊也沒跑出來)

根據阿里巴巴的開發規范：不要在 foreach 循環里進行元素的 remove/add 操作。remove 元素請使用 Iterator方式，如果并發操作，需要對 Iterator 對象加鎖。

這里解釋下，關于List.remove和Iterator.remove的區別

• Iterator.remove：會同步修改expectedModCount=modCount

• list.remove：只會修改modCount，因為expectedModCount屬于iterator對象的屬性，不屬于list的屬性（但是也可以間接訪問）

源碼：ArrayList.remove移除元素操作

public E remove(int index) {
        rangeCheck(index);
				// 1. 這里修改了 modCount
        modCount++;
        E oldValue = elementData(index);

        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

        return oldValue;
    }

源碼：ArrayList.Itr.remove迭代器移除元素操作

public void remove() {
            if (lastRet < 0)
                throw new IllegalStateException();
            checkForComodification();

            try {
              	// 1. 這里調用上面介紹的list.romove，修改modCount
                ArrayList.this.remove(lastRet);
                cursor = lastRet;
                lastRet = -1;
              	// 2. 這里再同步更新 expectedModCount
                expectedModCount = modCount;
            } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }

由于同步容器的這些缺點，于是就有了并發容器（下期來介紹）

4. 同步容器的使用場景

多用在并發編程，但是并發量又不是很大的場景，比如一些簡單的個人博客系統（具體多少并發量算大，這個也是分很多情況而論的，并不是說每秒處理超過多少個請求，就說是高并發，還要結合吞吐量、系統響應時間等多個因素一起考慮）

具體點來說的話，有以下幾個場景：

• 寫多讀少，這個時候同步容器和并發容器的性能差別不大（并發容器可以并發讀）

• 自定義的復合操作，比如getLast等操作（putIfAbsent就算了，因為并發容器有默認提供這個復合操作）

• 等等

總結

1. 什么是同步容器：就是把容器類同步化，這樣我們在并發中使用容器時，就不用手動同步，因為內部已經自動同步了

2. 為什么要有同步容器：因為普通的容器類（比如ArrayList)是線程不安全的，如果是在并發中使用，我們就需要手動對其加鎖才會安全，這樣的話就很太麻煩；所以就有了同步容器，它來幫我們自動加鎖

3. 同步容器的優缺點：

4. 同步容器的使用場景

多用在并發量不是很大的場景，比如個人博客、后臺系統等

具體點來說，有以下幾個場景：

• 寫多讀少：這個時候同步容器和并發容器差別不是很大

• 自定義復合操作：比如getLast等復合操作，因為同步容器都是單個操作進行上鎖的，所以可以很方便地去拼接復合操作（記得外部加鎖）

到此，關于“Java中的同步容器是什么”的學習就結束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實踐的搭配能更好的幫助大家學習，快去試試吧！若想繼續學習更多相關知識，請繼續關注億速云網站，小編會繼續努力為大家帶來更多實用的文章！