并发包学习（二）-容器学习记录

可能有些同学知道ArrayList，HashSet,，HashMap这些容器都是线程不安全的，如果多个线程并发的访问这些容器就会导致线程不安全问题，很多时候需要我们手动对这些容器进行同步处理，造成我们很大的不便，因此java为我们提供了同步容器和并发容器来解决这个问题。

一、同步容器

首先详细介绍前，需要强调下同步容器是线程安全的类，但是也可能造成线程不安全的问题，原因在后面有解释。

同步容器的原理很简单，就是在原容器的基础上加了synchronize的锁，来保证同一时间只有一个线程来访问。

同步容器总的可以分为两类：

java提供好的线程的类

ArrayList >>Vector,Stack
HashMap>>HashTable

Collections.synchronizedXXX提供的静态工厂方法创建的类

Collections.synchronizedCollection(Collection<T>t)
Collections.synchronizedList(List<T>list)
Collections.synchronizedMap(Map<K, V>map)
Collections.synchronizedSet(Set<T> t)

Vector案例一（线程安全）

@Slf4j
@ThreadSafe
public class VectorExample1 {

    // 请求总数
    public static int clientTotal = 5000;

    // 同时并发执行的线程数
    public static int threadTotal = 200;

    private static List<Integer> list = new Vector<>();

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
        for (int i = 0; i < clientTotal; i++) {
            final int count = i;
            executorService.execute(() -> {
                try {
                    semaphore.acquire();
                    update(count);
                    semaphore.release();
                } catch (Exception e) {
                    log.error("exception", e);
                }
                countDownLatch.countDown();
            });
        }
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();
        log.info("size:{}", list.size());
    }

    private static void update(int i) {
        list.add(i);
    }
}

Vector案例二（线程不安全）

@NotThreadSafe
public class VectorExample2 {

    private static Vector<Integer> vector = new Vector<>();

    public static void main(String[] args) {

        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();
        }
    }
}

我在上面的代码标题上已经提前说明这是个线程不安全的类了，为什么同步容器的Vector也可能是线程不安全的呢。大家可以实际运行下上面的类，应该会报数组越界的错误。

这里我解释下，Vector虽然能保证同一个时刻只有一个线程在访问它，以上面的代码为例，当我们的线程2运行到get(i)的时候，线程1刚好把这个数据移除，这个时候就会出现问题。所以同步容器因为操作顺序的原因，可能会产生线程不安全的问题。

Vector案例二

public class VectorExample3 {

    // java.util.ConcurrentModificationException
    private static void test1(Vector<Integer> v1) { // foreach
        for(Integer i : v1) {
            if (i.equals(3)) {
                v1.remove(i);
            }
        }
    }

    // java.util.ConcurrentModificationException
    private static void test2(Vector<Integer> v1) { // iterator
        Iterator<Integer> iterator = v1.iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            Integer i = iterator.next();
            if (i.equals(3)) {
                v1.remove(i);
            }
        }
    }

    // success
    private static void test3(Vector<Integer> v1) { // for
        for (int i = 0; i < v1.size(); i++) {
            if (v1.get(i).equals(3)) {
                v1.remove(i);
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {

        Vector<Integer> vector = new Vector<>();
        vector.add(1);
        vector.add(2);
        vector.add(3);
        test1(vector);
    }
}

结果：前两种test方法均会抛出溢常，第三种正常，大家在用foreach和iterator的时候不要对容器的数据进行移除操作，因为这两种方法会对容器的大小和预期的值进行校验。同理ArrayList等也会产生这样的问题的。这个东西对于我实在是印象深刻，因为不知道这个问题，闹出来很多毛病。

Collections案例一

@Slf4j
@ThreadSafe
public class CollectionsExample1 {

    // 请求总数
    public static int clientTotal = 5000;

    // 同时并发执行的线程数
    public static int threadTotal = 200;

    private static List<Integer> list = Collections.synchronizedList(Lists.newArrayList());

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
        for (int i = 0; i < clientTotal; i++) {
            final int count = i;
            executorService.execute(() -> {
                try {
                    semaphore.acquire();
                    update(count);
                    semaphore.release();
                } catch (Exception e) {
                    log.error("exception", e);
                }
                countDownLatch.countDown();
            });
        }
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();
        log.info("size:{}", list.size());
    }

    private static void update(int i) {
        list.add(i);
    }
}

Collections案例二

@Slf4j
@ThreadSafe
public class CollectionsExample2 {

    // 请求总数
    public static int clientTotal = 5000;

    // 同时并发执行的线程数
    public static int threadTotal = 200;

    private static Set<Integer> set = Collections.synchronizedSet(Sets.newHashSet());

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
        for (int i = 0; i < clientTotal; i++) {
            final int count = i;
            executorService.execute(() -> {
                try {
                    semaphore.acquire();
                    update(count);
                    semaphore.release();
                } catch (Exception e) {
                    log.error("exception", e);
                }
                countDownLatch.countDown();
            });
        }
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();
        log.info("size:{}", set.size());
    }

    private static void update(int i) {
        set.add(i);
    }
}

Collections案例三

@Slf4j
@ThreadSafe
public class CollectionsExample3 {

    // 请求总数
    public static int clientTotal = 5000;

    // 同时并发执行的线程数
    public static int threadTotal = 200;

    private static Map<Integer, Integer> map = Collections.synchronizedMap(new HashMap<>());

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
        for (int i = 0; i < clientTotal; i++) {
            final int count = i;
            executorService.execute(() -> {
                try {
                    semaphore.acquire();
                    update(count);
                    semaphore.release();
                } catch (Exception e) {
                    log.error("exception", e);
                }
                countDownLatch.countDown();
            });
        }
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();
        log.info("size:{}", map.size());
    }

    private static void update(int i) {
        map.put(i, i);
    }
}

由上面三个案例可以看出Collections.synchronizedXXX生成的三个同步容器类得到的值和预期的结果是相同的，所以是安全的。

总结：同步容器保证了同一时刻只有一个线程在访问，但是因为操作的原因，还是会产生线程不安全的问题，这个时候我们可以使用synchronize或者Lock来对相关代码块进行加锁操作，但是这种情况下又导致性能比较低下，又有什么好的解决办法呢。答案就在下面要介绍的并发容器了，实际项目中，同步容器已经很少使用，更多的还是被并发容器所取代了。

二、并发容器

ArrayList >>CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList 有几个缺点：
1、由于写操作的时候，需要拷贝数组，会消耗内存，如果原数组的内容比较多的情况下，可能导致young gc或者full gc
2、不能用于实时读的场景，像拷贝数组、新增元素都需要时间，所以调用一个set操作后，读取到数据可能还是旧的,虽然CopyOnWriteArrayList 能做到最终一致性,但是还是没法满足实时性要求；
CopyOnWriteArrayList 合适读多写少的场景，不过这类慎用
因为谁也没法保证CopyOnWriteArrayList 到底要放置多少数据，万一数据稍微有点多，每次add/set都要重新复制数组，这个代价实在太高昂了。在高性能的互联网应用中，这种操作分分钟引起故障。

CopyOnWriteArrayList透露的思想
如上面的分析CopyOnWriteArrayList表达的一些思想：
1、读写分离，读和写分开
2、最终一致性
3、使用另外开辟空间的思路，来解决并发冲突

@Slf4j
@ThreadSafe
public class CopyOnWriteArrayListExample {

    // 请求总数
    public static int clientTotal = 5000;

    // 同时并发执行的线程数
    public static int threadTotal = 200;

    private static List<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<>();

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
        for (int i = 0; i < clientTotal; i++) {
            final int count = i;
            executorService.execute(() -> {
                try {
                    semaphore.acquire();
                    update(count);
                    semaphore.release();
                } catch (Exception e) {
                    log.error("exception", e);
                }
                countDownLatch.countDown();
            });
        }
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();
        log.info("size:{}", list.size());
    }

    private static void update(int i) {
        list.add(i);
    }
}

通过结果可知是线程安全的。

HashSet、TreeSet>>CopyOnWriteArraySet、ConcurrentSkipListSet

CopyOnWriteArraySet的底层的实现是CopyOnWriteArrayList，因此它的特点和CopyOnWriteArrayList类似

它最适合于具有以下特征的应用程序：set 大小通常保持很小，只读操作远多于可变操作，需要在遍历期间防止线程间的冲突。
它是线程安全的, 底层的实现是CopyOnWriteArrayList；
因为通常需要复制整个基础数组，所以可变操作（add、set 和 remove 等等）的开销很大。
迭代器不支持可变 remove 操作。
使用迭代器进行遍历的速度很快，并且不会与其他线程发生冲突。在构造迭代器时，迭代器依赖于不变的数组快照。

@Slf4j
@ThreadSafe
public class CopyOnWriteArraySetExample {

    // 请求总数
    public static int clientTotal = 5000;

    // 同时并发执行的线程数
    public static int threadTotal = 200;

    private static Set<Integer> set = new CopyOnWriteArraySet<>();

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
        for (int i = 0; i < clientTotal; i++) {
            final int count = i;
            executorService.execute(() -> {
                try {
                    semaphore.acquire();
                    update(count);
                    semaphore.release();
                } catch (Exception e) {
                    log.error("exception", e);
                }
                countDownLatch.countDown();
            });
        }
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();
        log.info("size:{}", set.size());
    }

    private static void update(int i) {
        set.add(i);
    }
}

ConcurrentSkipListSet是JDK6新增的类，ConcurrentSkipListSet基于map集合，需要注意在此类的批量操作的方法不保证原子性，但是保证底层每次调用的原子性。所以在批量操作时需要另外完成同步操作。

@Slf4j
@ThreadSafe
public class ConcurrentSkipListSetExample {

    // 请求总数
    public static int clientTotal = 5000;

    // 同时并发执行的线程数
    public static int threadTotal = 200;

    private static Set<Integer> set = new ConcurrentSkipListSet<>();

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
        for (int i = 0; i < clientTotal; i++) {
            final int count = i;
            executorService.execute(() -> {
                try {
                    semaphore.acquire();
                    update(count);
                    semaphore.release();
                } catch (Exception e) {
                    log.error("exception", e);
                }
                countDownLatch.countDown();
            });
        }
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();
        log.info("size:{}", set.size());
    }

    private static void update(int i) {
        set.add(i);
    }
}

HashMap、TreeMap>>ConcurrentHashMap、ConcurrentSkipListMap

ConcurrentHashMap

@Slf4j
@ThreadSafe
public class ConcurrentHashMapExample {

    // 请求总数
    public static int clientTotal = 5000;

    // 同时并发执行的线程数
    public static int threadTotal = 200;

    private static Map<Integer, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
        for (int i = 0; i < clientTotal; i++) {
            final int count = i;
            executorService.execute(() -> {
                try {
                    semaphore.acquire();
                    update(count);
                    semaphore.release();
                } catch (Exception e) {
                    log.error("exception", e);
                }
                countDownLatch.countDown();
            });
        }
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();
        log.info("size:{}", map.size());
    }

    private static void update(int i) {
        map.put(i, i);
    }
}

ConcurrentSkipListMap

@Slf4j
@ThreadSafe
public class ConcurrentSkipListMapExample {

    // 请求总数
    public static int clientTotal = 5000;

    // 同时并发执行的线程数
    public static int threadTotal = 200;

    private static Map<Integer, Integer> map = new ConcurrentSkipListMap<>();

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
        for (int i = 0; i < clientTotal; i++) {
            final int count = i;
            executorService.execute(() -> {
                try {
                    semaphore.acquire();
                    update(count);
                    semaphore.release();
                } catch (Exception e) {
                    log.error("exception", e);
                }
                countDownLatch.countDown();
            });
        }
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();
        log.info("size:{}", map.size());
    }

    private static void update(int i) {
        map.put(i, i);
    }
}

posted @ 2018-10-23 21:18 小卖铺的老爷爷阅读(332) 评论(0) 编辑收藏举报

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