同步类容器与并发类容器

同步容器类

  • 同步容器类Vector 和 Hashtable ,以及一些由 Collections.synchronizedXxx 等工厂方法创建的。其底层的机制无非是用传统的synchronized 关键字对每一个公用的方法都进行同步,使得每次只能有一个线程访问容器的状态。这很明显不满足我们今天互联网时代的高并发的需求,在保证线程安全的同事,也必须要有足够好的性能。

  • 同步类容器都是线程安全的,但在某些场景下需要加锁来保护复合操作。复合操作包括:迭代(反复访问元素,直到遍历完容器中所有元素)、跳转(根据指定顺序找到当前元素的下一个元素)以及条件运算。这些复合操作在多线程并发地修改容器时,可能会表现出意外的行为,最经典的便是:ConcurrentModificationException, 原因是容器迭代的过程中,被并发的修改了内容,这是由于早期迭代设计的时候并没有考虑并发修改的问题。

  • 同步容器将所有对容器的状态的访问都串行话,以实现他们的线程安全性。这种方法的代价是严重降低并发性,当多个线程竞争容器锁时,吞吐量将严重降低。

    //-----------复合操作时,并不能保证线程安全性--------------------
    final Vector<String> tickets = new Vector<>();
    for(int i = 1; i<= 1000; i++){
      tickets.add("火车票"+i);
    }
    
    // 在迭代的过程中,被后面的线程并发的修改了迭代器中的内容,就会抛出 ConcurrentModificationException
    for (Iterator iterator = tickets.iterator(); iterator.hasNext(); ) {
      String string = (String) iterator.next();
      tickets.remove(20);
    }
    
    for(int i = 1; i <=10; i ++){
      new Thread("线程"+i){
        public void run(){
          while(true){
            if(tickets.isEmpty()) break;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "---" + tickets.remove(0));
          }
        }
      }.start();
    }
    

并发容器类

  • JDK1.5 提供了多种并发容器类来改进同步容器的性能。ConcurrentHashMap, 用来代替同步且基于散列的Map(HashTable),而且在ConcurrentHashMap 中,添加了一些常见复合操作的支持(如:“若没有则添加,替换以及有条件删除等”)。以及 CopyOnWriteArrayList ,用于遍历操作为主要操作的情况下代替同步的List(Voctor)。
  • JDK1.5 还增加了两种新的容器类型: Queue 和 BlockingQueue, Queue 用来临时保存一组等待处理的元素。
    • 高性能队列 ConcurrentLinkedQueue,这是一个传统的先进先出的队列。
    • 带优先级的 PriorityQueue, 这是一个非并发优先队列
    • BlockingQueue 扩张了 Queue, 增加拉可阻塞的插入和获取元素等操作。如果队列为空,那么获取元素的操作将一直阻塞,知道队列中出现一个可用的元素。 如果队列已满(对于有界队列来说),那么插入元素的操作将一直阻塞,知道队列中出现可用的空间。适用于生产者-消费者设计模式。
    • 其他实现Queue的类:
      • LinkedBlockingQueue
      • ArrayBlockingQueue
      • PriorityBlockingQueue
      • SynchronousQueue
  • Java6 引入了 ConcurrentSkipListMap、ConcurrentSkipListSet, 分别作为同步的 SortedMap 和 SortedSet 的并发替代品。例如用(synchronizedMap 包装的TreeMap 或 TreeSet)

ConcurrentMap

  • ConcurrentMap 接口下有两个重要的实现:
    • ConcurrentHashMap
    • ConcurrentSkipListMap (支持并发排序功能,弥补 ConcurrentHashMap)
  • ConcurrentHashMap 内部使用段(Segment)来表示这些不同的部分,每个段其实就是一个小的HashTable,它们有自己的锁。只要多个修改操作发生在不同的段上,它们就可以并发进行。把一个整体分成了16个段(Segment)。也就是最高支持16个线程的并发修改操作。这也是在多线程场景时减小锁的粒度从而降低锁竞争的一种方案,并且代码中大多共享变量使用volatile关键字声明,目的是第一时间获取修改的内容。性能非常好。

Copy-On-Write容器

  • Copy-On-Write 简称 COW,是一种用于程序设计中的优化策略。
  • JDK里的COW容器有两种: CopyOnWriteArrayList 和 CopyOnWriteArraySet, COW容器非常有用,可以在非常多的并发场景中使用到
  • 什么是 CopyOnWrite 容器
    • CopyOnWrite 容器即 写时复制 的容器。通俗的理解是当我们往一个容器添加元素的时候,不直接往当前容器添加,而是先将当前容器进行Copy,复制出一个新的容器。这样做的好处是我们可以对CopyOnWrite 容器进行并发的读,而不需要加锁,因为当前容器不会添加任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一种读写分离的思想,读和写在不同的容器中进行。
    • 当新容器完成写操作之后,会把原来容器的引用指向新的容器上。
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