（五）Java并发学习笔记--线程安全-同步容器
（五）Java并发学习笔记--线程安全-同步容器
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<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
Vector<Integer> vector = new Vector<Integer>();
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<Integer> vector = new Vector<Integer>();
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;i<vector.size();i++)
vector.remove(i);
};
};
Thread thread2 = new Thread(){
public void run() {
for(int i=0;i<vector.size();i++)
vector.get(i);
};
};
thread1.start();
thread2.start();
while(Thread.activeCount()>10) {
}
}
}
}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<vector.size();i++)
vector.remove(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<Integer> vector = new Vector<Integer>();
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;i<vector.size();i++)
vector.remove(i);
}
};
};
Thread thread2 = new Thread(){
public void run() {
synchronized (Test.class) {
for(int i=0;i<vector.size();i++)
vector.get(i);
}
};
};
thread1.start();
thread2.start();
while(Thread.activeCount()>10) {
}
}
}
}- 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<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
list.add(2);
Iterator<Integer> 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<E> 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<E> {
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<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
list.add(2);
Iterator<Integer> 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<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
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<Integer> 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<Integer> iterator = list.iterator();
while(iterator.hasNext()){
Integer integer = iterator.next();
if(integer==2)
iterator.remove();
}
};
};
thread1.start();
thread2.start();
}
}运行结果：
1.jpg
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。