java并发编程——同步容器
集合接口简单介绍
在Java的集合容器框架中，主要有四大类别：List、Set、Queue、Map。
Collection和Map是一个顶层接口，而List（数组）、Set（集合）、Queue（队列）则继承了Collection接口。
ArrayList、LinkedList都是实现了List接口，HashSet实现了Set接口，而Deque（双向队列，允许在队首、队尾进行入队和出队操作）继承了Queue接口，PriorityQueue实现了Queue接口。另外LinkedList（实际上是双向链表）实现了了Deque接口。
Java中的同步容器
ArrayList、LinkedList、HashMap这些容器都是非线程安全的。如果有多个线程并发地访问这些容器时，就会出现问题。因此，在编写程序时，必须要求程序员手动地在任何访问到这些容器的地方进行同步处理，这样导致在使用这些容器的时候非常地不方便。所以，Java提供了同步容器供用户使用。
在Java中，同步容器主要包括2类：
1）Vector、Stack、HashTable
- Vector：Vector实现了List接口，Vector实际上就是一个数组，和ArrayList类似，但是Vector中的方法都是synchronized方法，即进行了同步措施。
- Stack：Stack也是一个同步容器，它的方法也用synchronized进行了同步，它实际上是继承于Vector类。
- HashTable：HashTable实现了Map接口，它和HashMap很相似，但是HashTable进行了同步处理，而HashMap没有。
2）Collections类中提供的静态工厂方法创建的类
- Collections类是一个工具提供类，注意，它和Collection不同，Collection是一个顶层的 接口。在Collections类中提供了大量的方法，比如对集合或者容器进行排序、查找等操作。最重要的是，在它里面提供了几个静态工厂方法来创建同步容器类，如下图所示：
非同步容器和同步容器的性能差异
同步容器的具体实现源码可知，同步容器中的方法采用了synchronized进行了同步，那么很显然，这必然会影响到执行性能，另外，同步容器就一定是真正地完全线程安全吗？不一定，这个在下面会讲到。
我们首先来看一下传统的非同步容器和同步容器的性能差异，我们以ArrayList和Vector为例：
性能问题
进行同样多的插入操作，Vector的耗时是ArrayList的两倍。这只是其中的一方面性能问题上的反映。
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
Vector<Integer> vector = new Vector<>();
long start = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < 100000; i++) list.add(i);
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("ArrayList进行100000次插入操作耗时：" + (end - start) + "ms");
start = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < 100000; i++)
vector.add(i);
end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("Vector进行100000次插入操作耗时：" + (end - start) + "ms");
}
运行结果：
ArrayList进行100000次插入操作耗时：11ms
Vector进行100000次插入操作耗时：6ms另外，由于Vector中的add方法和get方法都进行了同步，因此，在有多个线程进行访问时，如果多个线程都只是进行读取操作，那么每个时刻就只能有一个线程进行读取，其他线程便只能等待，这些线程必须竞争同一把锁。因此为了解决同步容器的性能问题，在Java 1.5中提供了并发容器，位于java.util.concurrent目录下。
同步容器真的是安全的吗
也有人认为Vector中的方法都进行了同步处理，那么一定就是线程安全的，事实上这可不一定。看下面这段代码：
static Vector<Integer> vector = new Vector<>();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
while(true) {
for(int i=0;i<10;i++)vector.add(i);
Thread thread1 = new Thread(()->{for(int i=0;i<vector.size();i++)vector.remove(i);});
Thread thread2 = new Thread(()->{for(int i=0;i<vector.size();i++)vector.get(i);});
thread1.start();
thread2.start();
while(Thread.activeCount()>10){}//正在启动的线程不能大于10个
}
}
正如大家所看到的，这段代码报错了：数组下标越界。也许有朋友会问：Vector是线程安全的，为什么还会报这个错？很简单，对于Vector，虽然能保证每一个时刻只能有一个线程访问它，但是不排除这种可能：
当某个线程在某个时刻执行vector.get(１);之前，另外一个线程恰好执行vector.remove(１);这时vector.get(１);就会抛出异常。
因此为了保证线程安全，必须在方法调用端做额外的同步措施
static Vector<Integer> vector = new Vector<>();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
while(true) {
for(int i=0;i<10;i++)vector.add(i);
Thread thread1 = new Thread(()->{synchronized (Collection1.class){for(int i=0;i<vector.size();i++)vector.remove(i);}});
Thread thread2 = new Thread(()->{synchronized (Collection1.class){for(int i=0;i<vector.size();i++)vector.get(i);}});
thread1.start();
thread2.start();
while(Thread.activeCount()>10){}//正在启动的线程不能大于10个
}
}ConcurrentModificationException异常
在对Vector等容器并发地进行迭代修改时，会报ConcurrentModificationException异常，但是在并发容器中不会出现这个问题。比如：
public static void main(String[] args) {
ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
list.add(2);
Iterator<Integer> iterator = list.iterator();
while(iterator.hasNext()){
Integer integer = iterator.next();
if(integer==2)
list.remove(integer);
}
}
从异常信息可以发现，异常出现在checkForComodification()方法中。我们不忙看checkForComodification()方法的具体实现。
首先看ArrayList的iterator()方法的具体实现，查看源码发现在ArrayList的源码中并没有iterator()这个方法，那么很显然这个方法应该是其父类或者实现的接口中的方法，我们在其父类AbstractList中找到了iterator()方法的具体实现，下面是其实现代码：
public Iterator<E> iterator() {
return new Itr();
}从这段代码可以看出返回的是一个指向Itr类型对象的引用，我们接着看Itr的具体实现，在AbstractList类中找到了Itr类的具体实现，它是AbstractList的一个成员内部类，下面这段代码是Itr类的所有实现：
private class Itr implements Iterator<E> {
int cursor;//表示下一个要访问的元素的索引，从next()方法的具体实现就可看出
int lastRet = -1;//表示上一个访问的元素的索引
int expectedModCount = modCount;//表示对ArrayList修改次数的期望值，它的初始值为modCount。modCount是AbstractList类中的一个成员变量，该值表示对List的修改次数，查看ArrayList的add()和remove()方法就可以发现，每次调用add()方法或者remove()方法就会对modCount进行加1操作。
public boolean hasNext() {
//如果下一个访问的元素下标不等于ArrayList的大小，就表示有元素需要访问，如果下一个访问元素的下标等于ArrayList的大小，则肯定到达末尾了。
return cursor != size;
}
@SuppressWarnings("unchecked")
public E next() {
checkForComodification();
int i = cursor;
if (i >= size) throw new NoSuchElementException();
Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
if (i >= elementData.length)
throw new ConcurrentModificationException();
cursor = i + 1;
return (E) elementData[lastRet = i];//根据i的值获取到元素.并为lastRet赋值
}
//注意在使用迭代器进行迭代时，如果在迭代的过程中删除某个元素，不能直接调用List的remove。而必须调用迭代器自己提供的remove，因为调用List的remove方法后迭代器中expectedModCount以及cursor、lastRet值的正确性无法保证。
public void remove() {
if (lastRet < 0)throw new IllegalStateException();
checkForComodification();
try {
ArrayList.this.remove(lastRet);//调用ArrayList对象的remove
cursor = lastRet;//修改cursor指针
lastRet = -1;//重置lastRet的值
expectedModCount = modCount;//重置expectedModCount的值
} catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
......
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
}通过上面代码的分析，我们可以将以上的例子修改为
public static void main(String[] args) {
ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
list.add(2);
Iterator<Integer> iterator = list.iterator();
while(iterator.hasNext()){
Integer integer = iterator.next();
if(integer==2)
iterator.remove();//注意此处
}
}上面的解决办法在单线程环境下适用，但是在多线程下适用吗？看下面一个例子：
static ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
public static void main(String[] args) {
list.add(1);
list.add(2);
list.add(3);
list.add(4);
list.add(5);
Thread thread1 = new Thread(()->{
Iterator<Integer> iterator = list.iterator();
while(iterator.hasNext()){
System.out.println(iterator.next());
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
Thread thread2 = new Thread(()->{
Iterator<Integer> iterator = list.iterator();
while(iterator.hasNext()){
Integer integer = iterator.next();
if(integer==2)
iterator.remove();
}
});
thread1.start();
thread2.start();
}
有可能有朋友说ArrayList是非线程安全的容器，换成Vector就没问题了，实际上换成Vector还是会出现这种错误。原因在于，虽然Vector的方法采用了synchronized进行了同步，但是由于Vector是继承的AbstarctList，因此通过Iterator来访问容器的话，事实上是不需要获取锁就可以访问。那么显然，由于使用iterator对容器进行访问不需要获取锁，在多线程中就会造成当一个线程删除了元素，由于modCount是AbstarctList的成员变量，因此可能会导致在其他线程中modCount和expectedModCount值不等。
就比如上面的代码中，很显然iterator是线程私有的，初始时，线程1和线程2中的modCount、expectedModCount都为0，当线程2通过iterator.remove()删除元素时，会修改modCount值为1，并且会修改线程2中的expectedModCount的值为1，而此时线程1中的expectedModCount值为0，虽然modCount不是volatile变量，但是照样导致线程1中比较expectedModCount和modCount不等，而抛出异常。
因此一般有2种解决办法：
- 1）在使用iterator迭代的时候使用synchronized或者Lock进行同步；
- 2）使用并发容器CopyOnWriteArrayList代替ArrayList和Vector。