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并发实战 之「 基础构建模块」

委托是创建线程安全类的一个最有效的策略:只需让现有的线程安全类管理所有的状态即可。在本篇博文中,主要介绍一些比较有用的并发构建模块,特别是在 Java 5.0 和 Java 6.0 中引入的一些新模块,以及在使用这些模块来构造应用程序时的一些常用模式。

同步容器类

最早出现的同步容器类是VectorHashtable,在 JDK 1.2 及之后,又提供了一些功能类似的封装器类,这些同步容器类是由Collections.synchronizedXxx等工厂方法创建的,其实现线程安全的方式是:将它们的状态封装起来,并对每个公有方法都进行同步,使得每次只有一个线程能访问容器的状态。

同步容器类都是线程安全的,但在某些情况下可能需要额外的客户端加锁来保护符合操作。容器上常见的复合操作包括:迭代、跳转以及条件运算。在同步容器类中,这些复合操作在没有客户端加锁的情况下是线程安全的,但是在其他线程并发的修改容器时,它们可能会表现出意料之外的行为。

for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
	doSometing(vector.get(i));
}

如上述代码所示,在调用size()和相应get()方法之之间,Vector的长度可能会发生变化,这种风险在对Vector中的元素进行迭代时就可能出现。因此,上述的代码可能在运行时抛出ArrayIndexOutOfBoundsException异常。解决这种风险的方式就是在客户端先对其进行加锁,然后在进行迭代操作,例如:

synchronized(vector) {
	for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
		doSometing(vector.get(i));
	}
}

对于这种复合操作存在并发风险的问题,不仅出现在Vector之中,在 JDK 5.0 引入的for-each循环语法中也存在类似的问题。虽然加锁可以防止迭代器抛出ConcurrentModificationException,但是我们必须记住在所有对共享容器进行迭代的地方都需要加锁。实际情况要更加复杂,因为在某些情况下,迭代器会隐藏起来,例如:

public class HiddenIterate {
    private final Set<Integer> set = new HashSet<Integer>();

    public synchronized void add(Integer i) {
        set.add(i);
    }

    public synchronized void remove(Integer i) {
        set.remove(i);
    }

    public void addTenThings() {
        Random random = new Random();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            add(random.nextInt());
        }
        System.out.println("DEBUG: added ten elements to " + set);
    }
}

在上述代码中,addTenThings()方法可能会抛出ConcurrentModificationException异常,因为在生成调试信息的过程中,toString()方法会对容器进行迭代。在使用println中的set之前必须首先获取HiddenIterate的锁,但是在调试代码和日志代码中通常会忽视这个要求。容器的hashCode()equal()等方法也会间接地执行迭代操作,当容器作为另一个容器的元素或键值时,就会出现这种情况。通常,containsAll()removeAll()retainAll()等方法,以及把容器作为参数的构造函数,都会对容器进行迭代。

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