JUC学习笔记 -- (3)同步容器类和并发容器类

朴灿烈づ我的快乐病毒、 2022-05-03 23:56 314阅读 0赞

## 一、同步容器类 ##

包括Vector（实现了一个动态数组，和ArrayList相似，但两者是不同的）和Hashtable。

同步容器类的问题：

例如：Vector的getLast方法，和deleteLast方法，都会执行“先检查，后执行”操作，每个方法首先都获得数组的大小，然后通过结果来获取或删除最后一个元素。如果线程A调用getLast，线程B调用deleteLast，在线程A调用size和getLast之间，线程B删除了一个元素，则getLast会出现数组越界异常。同样，这种风险在对Vector中的元素进行迭代时仍然会出现。

解决方法:在客户端，将每个方法都进行加锁，使得每次只能有一个线程访问容器。

缺点：这样的话，同步容器类将所有对容器状态的访问都串行化，以实现它们的线程安全性，代价是严重降低并发性。

### 1、Hashtable ###

链表+数组实现，初始容量11，扩容因子0.75。每一次扩容，为上一次容量的2倍+1.

源码：
    
      // 返回key对应的value，没有的话返回null
        public synchronized V get(Object key) {
            Entry tab[] = table;
            int hash = key.hashCode();
            // 计算索引值，
            int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
            // 找到“key对应的Entry(链表)”，然后在链表中找出“哈希值”和“键值”与key都相等的元素
            for (Entry<K,V> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {
                if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
                    return e.value;
                }
            }
            return null;
        }
    
    // 将“key-value”添加到Hashtable中
        public synchronized V put(K key, V value) {
            // Hashtable中不能插入value为null的元素！！！
            if (value == null) {
                throw new NullPointerException();
            }
    
    
            // 若“Hashtable中已存在键为key的键值对”，
            // 则用“新的value”替换“旧的value”
            Entry tab[] = table;
            int hash = key.hashCode();
            int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
            for (Entry<K,V> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {
                if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
                    V old = e.value;
                    e.value = value;
                    return old;
                    }
            }
    
    
            // 若“Hashtable中不存在键为key的键值对”，
            // (01) 将“修改统计数”+1
            modCount++;
            // (02) 若“Hashtable实际容量” > “阈值”(阈值=总的容量 * 加载因子)
            //  则调整Hashtable的大小
            if (count >= threshold) {
                // Rehash the table if the threshold is exceeded
                rehash();
    
    
                tab = table;
                index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
            }
    
    
            // (03) 将“Hashtable中index”位置的Entry(链表)保存到e中
            Entry<K,V> e = tab[index];
            // (04) 创建“新的Entry节点”，并将“新的Entry”插入“Hashtable的index位置”，并设置e为“新的Entry”的下一个元素(即“新Entry”为链表表头)。        
            tab[index] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
            // (05) 将“Hashtable的实际容量”+1
            count++;
            return null;
        }
    
     // 删除Hashtable中键为key的元素
        public synchronized V remove(Object key) {
            Entry tab[] = table;
            int hash = key.hashCode();
            int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
            // 找到“key对应的Entry(链表)”
            // 然后在链表中找出要删除的节点，并删除该节点。
            for (Entry<K,V> e = tab[index], prev = null ; e != null ; prev = e, e = e.next) {
                if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
                    modCount++;
                    if (prev != null) {
                        prev.next = e.next;
                    } else {
                        tab[index] = e.next;
                    }
                    count--;
                    V oldValue = e.value;
                    e.value = null;
                    return oldValue;
                }
            }
            return null;
        }

注：Hashtable继承Dictionary类，实现map、cloneable、serializable接口。

Hashtable键为null，则抛出NullPointException，它的clear方法就是将所有的数组元素都置为null。

### 2、Vector ###

数组实现，初始容量10。Vector 当扩容容量增量大于0时、新数组长度为原数组长度+扩容容量增量、否则新数组长度为原数组长度的2倍。与ArrayList不同的就是两方面，分别是是否线程安全和扩容机制。

## 二、并发容器类（针对多个线程并发访问设计的） ##

包括ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList

### 1、ConcurrentHashMap ###

并不是在每个方法上都加锁，使得每次只能有一个线程访问容器，而是使用分段锁。

ConcurrentHashMap的实现中使用了一个包含16个锁的数组，每个锁保护散列桶的1/16，其中第N个散列桶由第（Nmod16）个锁来保护，正是这项技术使得ConcurrentHashMap能够支持多达16个并发的写入器。

锁分段的劣势：当需要加锁整个容器的时候，单个锁来实现独占访问只需要获得一个锁，ConcurrentHashMap需要获得16个锁，增加了复杂度。

ConcurrentHashMap源码解析：

ConcurrentHashMap允许多个修改操作并发进行，其关键在于使用了锁分离技术。它使用了多个锁来控制对hash表的不同部分进行的修改。ConcurrentHashMap内部使用段(Segment)来表示这些不同的部分，每个段其实就是一个小的hash table，它们有自己的锁。只要多个修改操作发生在不同的段上，它们就可以并发进行。

采用二次哈希的方法：第一次定位到哪一个segment，第二次定位到具体的桶。

进行读操作时，不需要加锁：首先判断count（该segment桶的数量）是否为0，若为0，则返回null，否则，根据hash值和key找到相应的value，判断value是否为null，若为null，则利用加锁的方式再次去获取，因为此时锁正被写操作所占有，读操作需要等待写操作释放锁后才能再去获取（防止在此期间新增了一个entry，另一个线程新增的这个entry又恰好是我们要get的，因为这个entry可能只构造了一半），否则返回该值（即要查找的值）。

注：count和value都是volatile类型，所以假设有线程增加或删除一个entry，count的新值都是对所有线程可见的；如果get过程中，另一个线程改变了该value值，对于该线程来说也是可见的。若在此期间删除（next是不可变的，所以需要重新复制一份链表以实现相应的删除操作）了要查找的entry，而get查找的仍然是旧链表，所以仍然会找到value并返回。

进行增加、删除、修改操作时都需要加锁。

在容器的size（）操作时，需要依次加锁整个容器，然后再按顺序释放各个锁，一定要按顺序，否则可能会造成死锁.

注：ConcurrentHashMap是弱一致性的，解释如下：

什么是弱一致性，我举个简单的例子，例如题主说的clear方法！  
因为没有全局的锁，在清除完一个segments之后，正在清理下一个segments的时候，已经清理segments可能又被加入了数据，因此clear返回的时候，ConcurrentHashMap中是可能存在数据的。因此，clear方法是弱一致的。  
！！总结！！  
ConcurrentHashMap的弱一致性主要是为了提升效率，但是成为弱一致。  
Hashtable为了线程安全的强一致性，就需要全局锁，降低效率。  
一致性与效率之间的一种权衡选择关系

### 2、CopyOnWriteArrayList ###

当修改（包括更新、添加、删除）CopyOnWriteArrayList时，需要加锁（可重入锁），先从原有的数组中拷贝一份出来，然后在新的数组做写操作，写完之后，将原来数组的引用指向新数组。

在进行读操作的时候，如果写操作尚未完成，则读的是旧容器中的数据。所以，多个线程可以同时对这个容器进行迭代，而不会彼此干扰或者与修改线程的容器相互干扰。

缺点：（1）内存占用问题：每当修改容器时，都会复制底层数组，需要占用内存。

（2）数据一致性问题：CopyOnWrite容器只能保证数据的最终一致性，不能保证数据的实时一致性。所以如果你希望写入的的数据，马上能读到，请不要使用CopyOnWriteArrayList容器。