使用多线程往LIST添加数据 线程安全list CopyOnWriteArrayList与Collections.synchronizedList的性能对比
列表实现有ArrayList、Vector、CopyOnWriteArrayList、Collections.synchronizedList(list)四种方式。
1 ArrayList
ArrayList是非线性安全，此类的 iterator 和 listIterator 方法返回的迭代器是快速失败的：在创建迭代器之后，除非通过迭代器自身的 remove 或 add 方法从结构上对列表进行修改，否则在任何时间以任何方式对列表进行修改，迭代器都会抛出 ConcurrentModificationException。即在一方在便利列表，而另一方在修改列表时，会报ConcurrentModificationException错误。而这不是唯一的并发时容易发生的错误，在多线程进行插入操作时，由于没有进行同步操作，容易丢失数据。
- public boolean add(E e) {
- ensureCapacity(size + 1); // Increments modCount!!
- elementData[size++] = e;//使用了size++操作，会产生多线程数据丢失问题。
- return true;
- }
2 Vector
从JDK1.0开始，Vector便存在JDK中，Vector是一个线程安全的列表，采用数组实现。其线程安全的实现方式是对所有操作都加上了synchronized关键字，这种方式严重影响效率，因此，不再推荐使用Vector了，Stackoverflow当中有这样的描述： Why is Java Vector class considered obsolete or deprecated?。
3 Collections.synchronizedList & CopyOnWriteArrayList
CopyOnWriteArrayList和Collections.synchronizedList是实现线程安全的列表的两种方式。两种实现方式分别针对不同情况有不同的性能表现，其中CopyOnWriteArrayList的写操作性能较差，而多线程的读操作性能较好。而Collections.synchronizedList的写操作性能比CopyOnWriteArrayList在多线程操作的情况下要好很多，而读操作因为是采用了synchronized关键字的方式，其读操作性能并不如CopyOnWriteArrayList。因此在不同的应用场景下，应该选择不同的多线程安全实现类。
3.1 Collections.synchronizedList
Collections.synchronizedList的源码可知，其实现线程安全的方式是建立了list的包装类，代码如下：
其中，SynchronizedList对部分操作加上了synchronized关键字以保证线程安全。但其iterator()操作还不是线程安全的。部分SynchronizedList的代码如下：
- public static <T> List<T> synchronizedList(List<T> list) {
- return (list instanceof RandomAccess ?
- new SynchronizedRandomAccessList<T>(list) :
- new SynchronizedList<T>(list));//根据不同的list类型最终实现不同的包装类。
- }
- public E get(int index) {
- synchronized(mutex) {return list.get(index);}
- }
- public E set(int index, E element) {
- synchronized(mutex) {return list.set(index, element);}
- }
- public void add(int index, E element) {
- synchronized(mutex) {list.add(index, element);}
- }
- public ListIterator<E> listIterator() {
- return list.listIterator(); // Must be manually synched by user 需要用户保证同步，否则仍然可能抛出ConcurrentModificationException
- }
- public ListIterator<E> listIterator(int index) {
- return list.listIterator(index); // Must be manually synched by user <span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif;">需要用户保证同步，否则仍然可能抛出ConcurrentModificationException</span>
- }
从字面可以知道，CopyOnWriteArrayList在线程对其进行些操作的时候，会拷贝一个新的数组以存放新的字段。其写操作的代码如下：
- /** The lock protecting all mutators */
- transient final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
- /** The array, accessed only via getArray/setArray. */
- private volatile transient Object[] array;//保证了线程的可见性
- public boolean add(E e) {
- final ReentrantLock lock = this.lock;//ReentrantLock 保证了线程的可见性和顺序性，即保证了多线程安全。
- lock.lock();
- try {
- Object[] elements = getArray();
- int len = elements.length;
- Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);//在原先数组基础之上新建长度＋1的数组，并将原先数组当中的内容拷贝到新数组当中。
- newElements[len] = e;//设值
- setArray(newElements);//对新数组进行赋值
- return true;
- } finally {
- lock.unlock();
- }
- }
- public E get(int index) {
- return (E)(getArray()[index]);
- }
其中setArray()操作仅仅是对array进行引用赋值。Java中“=”操作只是将引用和某个对象关联，假如同时有一个线程将引用指向另外一个对象，一个线程获取这个引用指向的对象，那么他们之间不会发生ConcurrentModificationException，他们是在虚拟机层面阻塞的，而且速度非常快，是一个原子操作，几乎不需要CPU时间。
在列表有更新时直接将原有的列表复制一份，并再新的列表上进行更新操作，完成后再将引用移到新的列表上。旧列表如果仍在使用中(比如遍历)则继续有效。如此一来就不会出现修改了正在使用的对象的情况(读和写分别发生在两个对象上)，同时读操作也不必等待写操作的完成，免去了锁的使用加快了读取速度。
测试代码：
- package com.yang.test;
- import org.junit.Test;
- import java.util.*;
- import java.util.concurrent.*;
- /**
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- */
- public class Test02 {
- private int NUM = 10000;
- private int THREAD_COUNT = 16;
- @Test
- public void testAdd() throws Exception {
- List<Integer> list1 = new CopyOnWriteArrayList<Integer>();
- List<Integer> list2 = Collections.synchronizedList(new ArrayList<Integer>());
- Vector<Integer> v = new Vector<Integer>();
- CountDownLatch add_countDownLatch = new CountDownLatch(THREAD_COUNT);
- ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_COUNT);
- int add_copyCostTime = 0;
- int add_synchCostTime = 0;
- for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
- add_copyCostTime += executor.submit(new AddTestTask(list1, add_countDownLatch)).get();
- }
- System.out.println("CopyOnWriteArrayList add method cost time is " + add_copyCostTime);
- for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
- add_synchCostTime += executor.submit(new AddTestTask(list2, add_countDownLatch)).get();
- }
- System.out.println("Collections.synchronizedList add method cost time is " + add_synchCostTime);
- }
- @Test
- public void testGet() throws Exception {
- List<Integer> list = initList();
- List<Integer> list1 = new CopyOnWriteArrayList<Integer>(list);
- List<Integer> list2 = Collections.synchronizedList(list);
- int get_copyCostTime = 0;
- int get_synchCostTime = 0;
- ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_COUNT);
- CountDownLatch get_countDownLatch = new CountDownLatch(THREAD_COUNT);
- for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
- get_copyCostTime += executor.submit(new GetTestTask(list1, get_countDownLatch)).get();
- }
- System.out.println("CopyOnWriteArrayList add method cost time is " + get_copyCostTime);
- for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
- get_synchCostTime += executor.submit(new GetTestTask(list2, get_countDownLatch)).get();
- }
- System.out.println("Collections.synchronizedList add method cost time is " + get_synchCostTime);
- }
- private List<Integer> initList() {
- List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
- int num = new Random().nextInt(1000);
- for (int i = 0; i < NUM; i++) {
- list.add(num);
- }
- return list;
- }
- class AddTestTask implements Callable<Integer> {
- List<Integer> list;
- CountDownLatch countDownLatch;
- AddTestTask(List<Integer> list, CountDownLatch countDownLatch) {
- this.list = list;
- this.countDownLatch = countDownLatch;
- }
- @Override
- public Integer call() throws Exception {
- int num = new Random().nextInt(1000);
- long start = System.currentTimeMillis();
- for (int i = 0; i < NUM; i++) {
- list.add(num);
- }
- long end = System.currentTimeMillis();
- countDownLatch.countDown();
- return (int) (end - start);
- }
- }
- class GetTestTask implements Callable<Integer> {
- List<Integer> list;
- CountDownLatch countDownLatch;
- GetTestTask(List<Integer> list, CountDownLatch countDownLatch) {
- this.list = list;
- this.countDownLatch = countDownLatch;
- }
- @Override
- public Integer call() throws Exception {
- int pos = new Random().nextInt(NUM);
- long start = System.currentTimeMillis();
- for (int i = 0; i < NUM; i++) {
- list.get(pos);
- }
- long end = System.currentTimeMillis();
- countDownLatch.countDown();
- return (int) (end - start);
- }
- }
- }
| 写操作 | 读操作 | |||
| CopyOnWriteArrayList | Collections. synchronizedList |
CopyOnWriteArrayList | Collections. synchronizedList |
|
| 2 | 567 | 2 | 1 | 1 |
| 4 | 3088 | 3 | 2 | 2 |
| 8 | 25975 | 28 | 2 | 3 |
| 16 | 295936 | 44 | 2 | 6 |
| 32 | － | － | 3 | 8 |
| 64 | － | － | 7 | 21 |
| 128 | － | － | 9 | 38 |
读操作：在多线程进行读时，Collections.synchronizedList和CopyOnWriteArrayList均有性能的降低，但是Collections.synchronizedList的性能降低更加显著。
4 结论
CopyOnWriteArrayList，发生修改时候做copy，新老版本分离，保证读的高性能，适用于以读为主，读操作远远大于写操作的场景中使用，比如缓存。而Collections.synchronizedList则可以用在CopyOnWriteArrayList不适用，但是有需要同步列表的地方， 读写操作都比较均匀的地方。
