Java集合之同步容器詳解

為了方便編寫出執行緒安全的程式，Java裡面提供了一些執行緒安全類和並行工具，比如：同步容器、並行容器、阻塞佇列等。

最常見的同步容器就是Vector和Hashtable了，那麼，同步容器的所有操作都是執行緒安全的嗎？下面我們來一一分析這個問題。

同步容器

在Java中，同步容器主要包括2類：

• Vector、Stack、HashTable
• Collections類中提供的靜態工廠方法建立的類

我們以相對簡單的Vecotr來舉例，我們先來看下Vector中幾個重要方法的原始碼：

public synchronized boolean add(E e) {
    modCount++;
    ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
    elementData[elementCount++] = e;
    return true;
}

public synchronized E remove(int index) {
    modCount++;
    if (index >= elementCount)
        throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
    E oldValue = elementData(index);

    int numMoved = elementCount - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                         numMoved);
    elementData[--elementCount] = null; // Let gc do its work

    return oldValue;
}

public synchronized E get(int index) {
    if (index >= elementCount)
        throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);

    return elementData(index);
}

可以看到，Vector這樣的同步容器的所有公有方法全都是synchronized的，也就是說，我們可以在多執行緒場景中放心的使用單獨這些方法，因為這些方法本身的確是執行緒安全的。

但是，請注意上面這句話中，有一個比較關鍵的詞：單獨

因為，雖然同步容器的所有方法都加了鎖，但是對這些容器的複合操作無法保證其執行緒安全性。需要使用者端通過主動加鎖來保證。

簡單舉一個例子，我們定義如下刪除Vector中最後一個元素方法：

public Object deleteLast(Vector v){
    int lastIndex  = v.size()-1;
    v.remove(lastIndex);
}

上面這個方法是一個複合方法，包括 size(）和 remove()，看上去好像並沒有什麼問題，無論是size()方法還是remove()方法都是執行緒安全的，那麼整個deleteLast方法應該也是執行緒安全的。

但是，如果多執行緒呼叫該方法的過程中，remove方法有可能丟擲ArrayIndexOutOfBoundsException：

Exception in thread "Thread-1" java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: Array index out of range: 879
    at java.util.Vector.remove(Vector.java:834)
    at com.hollis.Test.deleteLast(EncodeTest.java:40)
    at com.hollis.Test$2.run(EncodeTest.java:28)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

我們上面貼了remove的原始碼，我們可以分析得出：當index >= elementCount時，會丟擲ArrayIndexOutOfBoundsException ，也就是說，噹噹前索引值不再有效的時候，將會丟擲這個異常。

因為removeLast方法，有可能被多個執行緒同時執行，當執行緒2通過index()獲得索引值為10，在嘗試通過remove()刪除該索引位置的元素之前，執行緒1把該索引位置的值刪除掉了，這時執行緒一在執行時便會丟擲異常。

為了避免出現類似問題，可以嘗試加鎖：

public void deleteLast() {
    synchronized (v) {
        int index = v.size() - 1;
        v.remove(index);
    }
}

如上，我們在deleteLast中，對v進行加鎖，即可保證同一時刻，不會有其他執行緒刪除掉v中的元素。

另外，如果以下程式碼會被多執行緒執行時，也要特別注意：

for (int i = 0; i < v.size(); i++) {
    v.remove(i);
}

由於，不同執行緒在同一時間操作同一個Vector，其中包括刪除操作，那麼就同樣有可能發生執行緒安全問題。所以，在使用同步容器的時候，如果涉及到多個執行緒同時執行刪除操作，就要考慮下是否需要加鎖。

同步容器的問題

前面說過了，同步容器直接保證單個操作的執行緒安全性，但是無法保證複合操作的執行緒安全，遇到這種情況時，必須要通過主動加鎖的方式來實現。

而且，除此之外，由於所有方法都加了鎖，這就導致多個執行緒存取同一個容器的時候，只能進行順序存取，即使是不同的操作，也要排隊，如get和add要排隊執行。這就大大的降低了容器的並行能力。

並行容器

針對前文提到的同步容器存在的並行度低問題，從Java5開始，java.util.concurent包下，提供了大量支援高效並行的存取的集合類，我們稱之為並行容器。

針對前面提到的同步容器的複合操作的問題，一般在 Map 中發生的比較多，所以在ConcurrentHashMap中增加了對常用複合操作的支援，比如putIfAbsent()、replace()，這2個操作都是原子操作，可以保證執行緒安全。

另外，並行包中的CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet是Copy-On-Write的兩種實現。

Copy-On-Write容器即寫時複製的容器。通俗的理解是當我們往一個容器新增元素的時候，不直接往當前容器新增，而是先將當前容器進行Copy，複製出一個新的容器，然後新的容器裡新增元素，新增完元素之後，再將原容器的參照指向新的容器。

CopyOnWriteArrayList中add/remove等寫方法是需要加鎖的，而讀方法是沒有加鎖的。

這樣做的好處是我們可以對CopyOnWrite容器進行並行的讀，當然，這裡讀到的資料可能不是最新的。因為寫時複製的思想是通過延時更新的策略來實現資料的最終一致性的，並非強一致性。

但是，作為代替Vector的CopyOnWriteArrayList並沒有解決同步容器的複合操作的執行緒安全性問題。

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