三种线程安全的List |
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三种线程安全的List
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在单线程开发环境中，我们经常使用ArrayList作容器来存储我们的数据，但它不是线程安全的，在多线程环境中使用它可能会出现意想不到的结果。 多线程中的ArrayList：我们可以从一段代码了解并发环境下使用ArrayList的情况： public class ConcurrentArrayList { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { List list = new ArrayList(); Runnable runnable = () -> { for (int i = 0; i new Thread(runnable).start(); } Thread.sleep(500); System.out.println(list.size()); } }代码中循环创建了两个线程，这两个线程都执行10000次数组的添加操作，理论上最后输出的结果应该为20000，但经过多次尝试，最后只出现了两种结果： 数组索引越界异常 Exception in thread "Thread-0" java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: 10 at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:463) at ConcurrentArrayList.lambda$main$0(ConcurrentArrayList.java:14) at java.lang.Thread.run(Thread.java:748) 10007 输出结果小于20000 16093虽然仍有可能得到20000的结果，但概率非常低。我们要从ArrayList的源码中去分析为什么会出现这种结果。 ArrayList数组默认初始化大小： // 默认初始大小 private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10; ... // 数组size private int size;ArrayList的add方法： public boolean add(E e) { //确定集合的大小是否足够，如果不够则会进行扩容 ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! elementData[size++] = e; return true; }以上面错误1：ArrayIndexOutOfBoundsException: 10为例，出现错误的步骤如下： 假设某时刻Thread-0和Thread-1都执行到了elementData[size++] = e; 这步，获取的size大小都为9，此时轮到Thread-1执行Thread-1执行elementData[9] = e，空间刚刚好够用，赋值完后size变为10。接着轮到Thread-0执行因为Thread-0已经跳过了ensureCapacityInternal(size + 1); 这步判断容量的检查步骤，因此它执行elementData[10] = e，而数组容量刚好为10！此时就出现了数组越界的错误。另外，size++本身就是非原子性的，多个线程之间访问冲突，这时两个线程可能对同一个位置赋值，这就出现了出现size小于期望值的错误2结果。 线程安全的List目前比较常用的构建线程安全的List有三种方法： 使用Vector容器使用Collections的静态方法synchronizedList(List< T> list)采用CopyOnWriteArrayList容器 1.使用Vector容器Vector类实现了可扩展的对象数组，并且它是线程安全的。它和ArrayList在常用方法的实现上很相似，不同的只是它采用了同步关键词synchronized修饰方法。 ArrayList中的add方法： public void add(int index, E element) { rangeCheckForAdd(index); ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index); elementData[index] = element; size++; }Vector中的add方法： public void add(int index, E element) { insertElementAt(element, index); } ... // 使用了synchronized关键词修饰 public synchronized void insertElementAt(E obj, int index) { modCount++; if (index > elementCount) { throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index + " > " + elementCount); } ensureCapacityHelper(elementCount + 1); System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, elementCount - index); elementData[index] = obj; elementCount++; }可以看出，Vector在通用方法的实现上ArrayList并没有什么区别（这里不比较扩容方式等细节） 2. Collections.synchronizedList(List< T> list)使用这种方法我们可以获得线程安全的List容器，它和Vector的区别在于它采用了同步代码块实现线程间的同步。通过分析源码，它的底层使用了新的容器包装原始的List。 下图是新容器的继承关系图： 因为ArrayList实现了RandomAccess接口，因此该方法返回一个SynchronizedRandomAccessList实例。 该类的add实现： public void add(int index, E element) { synchronized (mutex) {list.add(index, element);} }其中，mutex是final修饰的一个对象： final Object mutex;我们可以看到，这种线程安全容器是通过同步代码块来实现的，基础的add方法任然是由ArrayList实现。 我们再来看看它的读方法： public E get(int index) { synchronized (mutex) {return list.get(index);} }和写方法没什么区别，同样是使用了同步代码块。线程同步的实现原理非常简单！ 通过上面的分析可以看出，无论是读操作还是写操作，它都会进行加锁，当线程的并发级别非常高时就会浪费掉大量的资源，因此某些情况下它并不是一个好的选择。针对这个问题，我们引出第三种线程安全容器的实现。 3. CopyOnWriteArrayList顾名思义，它的意思就是在写操作的时候复制数组。为了将读取的性能发挥到极致，在该类的使用过程中，读读操作和读写操作都不互斥，这是一个很神奇的操作，接下来我们看看它如何实现。 public boolean add(E e) { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock(); try { Object[] elements = getArray(); int len = elements.length; // 复制数组 Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); // 赋值 newElements[len] = e; setArray(newElements); return true; } finally { lock.unlock(); } }从CopyOnWriteArrayList的add实现方式可以看出它是通过lock来实现线程间的同步的，这是一个标准的lock写法。那么它是怎么做到读写互斥的呢？ // 复制数组 Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); // 赋值 newElements[len] = e;真实实现读写互斥的细节就在这两行代码上。在面临写操作的时候，CopyOnWriteArrayList会先复制原来的数组并且在新数组上进行修改，最后再将原数组覆盖。如果写操作的过程中发生了线程切换，并且切换到读线程，因为此时数组并未发生覆盖，读操作读取的还是原数组。 换句话说，就是读操作和写操作位于不同的数组上，因此它们不会发生安全问题。 另外，数组定义private transient volatile Object[] array，其中采用volatile修饰，保证内存可见性，读取线程可以马上知道这个修改。 private transient volatile Object[] array; 三种方式的性能比较 1. 首先我们来看看三种方式在写操作的情况： public class ConcurrentList { public static void main(String[] args) { testVector(); testSynchronizedList(); testCopyOnWriteArrayList(); } public static void testVector(){ Vector vector = new Vector(); long time1 = System.currentTimeMillis(); for (int i = 0; i List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList()); long time1 = System.currentTimeMillis(); for (int i = 0; i CopyOnWriteArrayList list = new CopyOnWriteArrayList(); long time1 = System.currentTimeMillis(); for (int i = 0; i public static void main(String[] args) { testVector(); testSynchronizedList(); testCopyOnWriteArrayList(); } public static void testVector(){ Vector vector = new Vector(); vector.add(0); long time1 = System.currentTimeMillis(); for (int i = 0; i List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList()); list.add(0); long time1 = System.currentTimeMillis(); for (int i = 0; i CopyOnWriteArrayList list = new CopyOnWriteArrayList(); list.add(0); long time1 = System.currentTimeMillis(); for (int i = 0; i |
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