作者：汤圆
个人博客：javalover.cc
前言
官人们好啊，我是汤圆，今天给大家带来的是《Java并发-同步容器篇》，希望有所帮助，谢谢
文章如果有问题，欢迎大家批评指正，在此谢过啦
简介
同步容器主要分两类，一种是Vector这样的普通类，一种是通过Collections的工厂方法创建的内部类
虽然很多人都对同步容器的性能低有偏见，但它也不是一无是处，在这里我们插播一条阿里巴巴的开发手册规范：
高并发时，同步调用应该去考量锁的性能损耗。能用无锁数据结构，就不要用锁；能锁区块，就不要锁整个方法体；能用对象锁，就不要用类锁。
可以看到，只有在高并发才会考虑到锁的性能问题，所以在一些小而全的系统中，同步容器还是有用武之地的（当然也可以考虑并发容器，后面章节再讨论）
附言：这不是洗白贴
目录
我们这里分三步来分析：
- 什么是同步容器
- 为什么要有同步容器
- 同步容器的优缺点
- 同步容器的使用场景
正文
1. 什么是同步容器
定义：就是把容器类同步化，这样我们在并发中使用容器时，就不用手动同步，因为内部已经自动同步了
例子：比如Vector就是一个同步容器类，它的同步化就是把内部的所有方法都上锁（有的重载方法没上锁，但是最终调用的方法还是有锁的）
源码：Vector.add
// 通过synchronized为add方法上锁
public synchronized boolean add(E e) {
modCount++;
ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
elementData[elementCount++] = e;
return true;
}同步容器主要分两类：
- 普通类：Vector、Stack、HashTable
- 内部类：Collections创建的内部类，比如Collections.SynchronizedList、 Collections.SynchronizedSet等
那这两种有没有区别呢？
当然是有的，刚开始的时候(Java1.0)只有第一种同步容器(Vector等)
但是因为Vector这种类太局气了，它就想着把所有的东西都弄过来自己搞(Vector通过toArray转为己有,HashTable通过putAll转为己有）；
源码：Vector构造函数
public Vector(Collection<? extends E> c) {
// 这里通过toArray将传来的集合 转为己有
elementData = c.toArray();
elementCount = elementData.length;
// c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, elementCount, Object[].class);
}
所以就有了第二种同步容器类(通过工厂方法创建的内部容器类)，它就比较聪明了，它只是把原有的容器进行包装（通过this.list = list直接指向需要同步的容器)，然后局部加锁，这样一来，即生成了线程安全的类，又不用太费力；
源码：Collections.SynchronizedList构造函数
SynchronizedList(List<E> list) {
super(list);
// 这里只是指向传来的list，不转为己有，后面的相关操作还是基于原有的list集合
this.list = list;
}
他们之间的区别如下：
| 两种同步容器的区别 | 普通类 | 内部类 |
|---|---|---|
| 锁的对象 | 不可指定，只能this | 可指定，默认this |
| 锁的范围 | 方法体（包括迭代） | 代码块（不包括迭代） |
| 适用范围 | 窄-个别容器 | 广-所有容器 |
这里我们重点说下锁的对象：
- 普通类锁的是当前对象this（锁在方法上，默认this对象）；
- 内部类锁的是mutex属性，这个属性默认是this，但是可以通过构造函数（或工厂方法）来指定锁的对象
源码：Collections.SynchronizedCollection构造函数
final Collection<E> c; // Backing Collection
// 这个就是锁的对象
final Object mutex; // Object on which to synchronize
SynchronizedCollection(Collection<E> c) {
this.c = Objects.requireNonNull(c);
// 初始化为 this
mutex = this;
}
SynchronizedCollection(Collection<E> c, Object mutex) {
this.c = Objects.requireNonNull(c);
this.mutex = Objects.requireNonNull(mutex);
}这里要注意一点就是，内部类的迭代器没有同步(Vector的迭代器有同步），需要手动加锁来同步
源码：Vector.Itr.next 迭代方法（有上锁）
public E next() {
synchronized (Vector.this) {
checkForComodification();
int i = cursor;
if (i >= elementCount)
throw new NoSuchElementException();
cursor = i + 1;
return elementData(lastRet = i);
}
}源码：Collections.SynchronizedCollection.iterator 迭代器（没上锁）
public Iterator<E> iterator() {
// 这里会直接实现类的迭代器（比如ArrayList，它里面的迭代器肯定是没上锁的）
return c.iterator(); // Must be manually synched by user!
}
2. 为什么要有同步容器
因为普通的容器类（比如ArrayList)是线程不安全的，如果是在并发中使用，我们就需要手动对其加锁才会安全，这样的话就很麻烦；
所以就有了同步容器，它来帮我们自动加锁
下面我们用代码来对比下
线程不安全的类：ArrayList
public class SyncCollectionDemo {
private List<Integer> listNoSync;
public SyncCollectionDemo() {
this.listNoSync = new ArrayList<>();
}
public void addNoSync(int temp){
listNoSync.add(temp);
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
SyncCollectionDemo demo = new SyncCollectionDemo();
// 创建10个线程
for (int i = 0; i < 10; i++) {
// 每个线程执行100次添加操作
new Thread(()->{
for (int j = 0; j < 1000; j++) {
demo.addNoSync(j);
}
}).start();
}
}
}上面的代码看似没问题，感觉就算有问题也应该是插入的顺序比较乱（多线程交替插入）
但实际上运行会发现，可能会报错数组越界，如下所示：
原因有二：
- 因为ArrayList.add操作没有加锁，导致多个线程可以同时执行add操作
- add操作时，如果发现list的容量不足，会进行扩容，但是由于多个线程同时扩容，就会出现扩容不足的问题
源码：ArrayList.grow扩容
// 扩容方法
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
// 这里可以看到，每次扩容增加一半的容量
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
// minCapacity is usually close to size, so this is a win:
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}可以看到，扩容是基于之前的容量进行的，因此如果多个线程同时扩容，那扩容基数就不准确了，结果就会有问题
线程安全的类：Collections.SynchronizedList
/**
* <p>
* 同步容器类：为什么要有它
* </p>
*
* @author: JavaLover
* @time: 2021/5/3
*/
public class SyncCollectionDemo {
private List<Integer> listSync;
public SyncCollectionDemo() {
// 这里包装一个空的ArrayList
this.listSync = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
}
public void addSync(int j){
// 内部是同步操作: synchronized (mutex) {return c.add(e);}
listSync.add(j);
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
SyncCollectionDemo demo = new SyncCollectionDemo();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(()->{
for (int j = 0; j < 100; j++) {
demo.addSync(j);
}
}).start();
}
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
// 输出1000
System.out.println(demo.listSync.size());
}
}
输出正确，因为现在ArrayList被Collections包装成了一个线程安全的类
这就是为啥会有同步容器的原因：因为同步容器使得并发编程时，线程更加安全
3. 同步容器的优缺点
一般来说，都是先说优点，再说缺点
但是我们这次先说优点
优点：
- 并发编程中，独立操作是线程安全的，比如单独的add操作
缺点（是的，优点已经说完了）：
- 性能差，基本上所有方法都上锁，完美的诠释了“宁可错杀一千，不可放过一个”
- 复合操作，还是不安全，比如putIfAbsent操作（如果没有则添加）
- 快速失败机制，这种机制会报错提示
ConcurrentModificationException，一般出现在当某个线程在遍历容器时，其他线程恰好修改了这个容器的长度
为啥第三点是缺点呢？
因为它只能作为一个建议，告诉我们有并发修改异常，但是不能保证每个并发修改都会爆出这个异常
爆出这个异常的前提如下：
源码：Vector.Itr.checkForComodification 检查容器修改次数
final void checkForComodification() {
// modCount：容器的长度变化次数， expectedModCount：期望的容器的长度变化次数
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}那什么情况下并发修改不会爆出异常呢？有两种：
- 遍历没加锁的情况：对于第二种同步容器(Collections内部类)来说，假设线程A修改了modCount的值，但是没有同步到线程B，那么线程B遍历就不会发生异常（但实际上问题已经存在了，只是暂时没有出现）
- 依赖线程执行顺序的情况：对于所有的同步容器来说，假设线程B已经遍历完了容器，此时线程A才开始遍历修改，那么也不会发生异常
代码就不贴了，大家感兴趣的可以直接写几个线程遍历试试，多运行几次，应该就可以看到效果(不过第一种情况也是基于理论分析，实际代码我这边也没跑出来)
根据阿里巴巴的开发规范：不要在 foreach 循环里进行元素的 remove/add 操作。remove 元素请使用 Iterator方式，如果并发操作，需要对 Iterator 对象加锁。
这里解释下，关于List.remove和Iterator.remove的区别
- Iterator.remove：会同步修改expectedModCount=modCount
- list.remove：只会修改modCount，因为expectedModCount属于iterator对象的属性，不属于list的属性（但是也可以间接访问）
源码：ArrayList.remove移除元素操作
public E remove(int index) {
rangeCheck(index);
// 1. 这里修改了 modCount
modCount++;
E oldValue = elementData(index);
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
return oldValue;
}源码：ArrayList.Itr.remove迭代器移除元素操作
public void remove() {
if (lastRet < 0)
throw new IllegalStateException();
checkForComodification();
try {
// 1. 这里调用上面介绍的list.romove，修改modCount
ArrayList.this.remove(lastRet);
cursor = lastRet;
lastRet = -1;
// 2. 这里再同步更新 expectedModCount
expectedModCount = modCount;
} catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}由于同步容器的这些缺点，于是就有了并发容器（下期来介绍）
4. 同步容器的使用场景
多用在并发编程，但是并发量又不是很大的场景，比如一些简单的个人博客系统（具体多少并发量算大，这个也是分很多情况而论的，并不是说每秒处理超过多少个请求，就说是高并发，还要结合吞吐量、系统响应时间等多个因素一起考虑）
具体点来说的话，有以下几个场景：
- 写多读少，这个时候同步容器和并发容器的性能差别不大（并发容器可以并发读）
- 自定义的复合操作，比如getLast等操作（putIfAbsent就算了，因为并发容器有默认提供这个复合操作）
- 等等
总结
- 什么是同步容器：就是把容器类同步化，这样我们在并发中使用容器时，就不用手动同步，因为内部已经自动同步了
- 为什么要有同步容器：因为普通的容器类（比如ArrayList)是线程不安全的，如果是在并发中使用，我们就需要手动对其加锁才会安全，这样的话就很太麻烦；所以就有了同步容器，它来帮我们自动加锁
- 同步容器的优缺点：
| 优点 | 缺点 | |
|---|---|---|
| 同步容器 | 独立操作，线程安全 | 复合操作，还是不安全 |
| 性能差 | ||
| 快速失败机制，只适合bug调试 |
- 同步容器的使用场景
多用在并发量不是很大的场景，比如个人博客、后台系统等
具体点来说，有以下几个场景：
- 写多读少：这个时候同步容器和并发容器差别不是很大
- 自定义复合操作：比如getLast等复合操作，因为同步容器都是单个操作进行上锁的，所以可以很方便地去拼接复合操作（记得外部加锁）
- 等等
参考内容：
- 《Java并发编程实战》
- 《实战Java高并发》
后记
最后，感谢大家的观看，谢谢
原创不易，期待官人们的三连哟
Java并发-同步容器篇
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