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Java并发编程 —— 同步容器与并发性容器：关于ConcurrentHashMap

分类: 文章 • 2024-07-06 21:05:16

以下是自己在研究《Java 并发编程实战》这本书时做的一些笔记，增加了别人的一些见解和自己的理解，将其整理如下：

1. 同步容器

  • 在Java中，同步容器主要有两类：

一是Vector、HashTable、Stack，他们都是线程安全的

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。

二是Collections中提供的静态方法类

2. 并发容器

Java5.0提供了多种并发容器来改进同步容器的性能，同步容器将所有对容器的访问进行串行化，以实现他们的线程安全性。这种方法的弊端是严重降低并发性，当多个线程竞争容器的锁时，容器的吞吐量会严重降低。

另一方面，并发容器是针对多个线程并发访问设计的，在Java5.0中新增了ConcurrentHashMap，用来代替同步且基于散列的HashTable，以及CopyOneWriteArrayList，用于在遍历操作作为主要操作的情况下代替同步的Vector，在新的ConcurrenMap接口中添加了一些常见的符合操作的支持，例如“如没有则添加”，替换以及有条件删除等。

通过并发容器来代替同步容器，可以极大的提高伸缩性和降低风险。

关于并发性设计中的队列请查看：

3. ConcurrentHashMap

  • ConcurrentHashMap与HashTable的区别：

图片来自网络：
Java并发编程 —— 同步容器与并发性容器：关于ConcurrentHashMap

  1. 在HashTable实现同步是利用Synchronized进行实现的，其实是 针对整张表进行锁定的。即每次锁住整张表让线程独占。

  2. 而ConcurrentHashMap是单独锁住每一个桶(segment)，ConcurrentHashMap将哈希表分为16个桶(默认值)，诸如get()、put()等方法只是锁住当前需要的桶，而size()方法才会锁住整张表，原来只能一个线程进入，而现在却能接受16个线程的同时并发进入，并发性的提升是显而易见的。

  3. ConcurrentHashMap使用了不同于传统集合的快速失败迭代器的另一种迭代方式。称为弱一致迭代方式。在这种迭代方式中，当iterator被创建后集合在发生改变不再是抛出ConcurrentModificationException，取而代之的是在改变时实例化出新的数据从而不影响原有的数据，iterator完成后再将头指针替换为新的数据，这样iterator可以使用原来的老数据，而写线程也可以并发的完成改变，更重要的是保证了多个线程并发执行的连续性和扩展性，是性能提升的关键。

  • ConcurrentHashMap的组成结构

图片来自网络：
Java并发编程 —— 同步容器与并发性容器：关于ConcurrentHashMap

  1. ConcurrentHashMap中的主要实体类是三个：ConcurrentHashMap,Segment(桶)，HashEntry(节点)

Segment是一个可重入锁ReentrantLock，在CocurrentHashMap中扮演锁的角色，HashEntry则用于存储键值对数据

一个ConcurrentHashMap里包含一个Segment数组，Segment的结构与HashMap的结构类似，是一种数组和链表结构，一个Segment中包含一个HashEntry数组，每一个HashEntry数组是一个链表结构的元素，每个Segment守护着HashEntry中的元素，当对HashEntry中的元素进行修改时，必须获取他对应的Segment锁。

ConcurrentHashMap与其他并发性容器一起增强了同步容器类：他们提供的迭代器不会抛出ConcurrentModificationException，因此不需要在迭代过程中对容器进行加锁。ConurrentHashMap返回的迭代器具有弱一致性，而并得及时失败。

弱一致性的迭代器可以容忍并发的修改，当创建迭代器时会遍历以有的元素，并可以在迭代器被构造后将修改操作反映给容器。

尽管有这些改进，但任然有一些需要权衡的因素：对于在整个Map上进行计算的方法，例如size和isEmpty，这些方法的语义上被略微减弱以反映容器的并发特性，由于size返回的计算结果可能在计算时已经是过期了，他实际只是一个估计值，因此允许size返回一个近似值而不是一个精确值。

在ConcurrentHashMap中没有实现对Map加锁以独占线程访问，在HashMap和SynchronizedMap中，获得Map的锁能防止其他线程访问这个Map，在一些不常见的情况中需要实现这些功能。

与HashTable和SynchronizedMap相比，ConcurrentHahsMap有着更多的优势以及更少的劣势，因此在大多数的情况下，用ConcurrentHashMap来代替同步Map可以提高代码的伸缩性，只用应用程序需要加锁Map以进行独占访问时，才可以考虑放弃使用ConcurrentHashMap

4. CopyOnWriteArrayList

  1. 先来介绍一下什么是Copy-On-Write(写入时复制)

Copy-On-Write简称COW，是一种用于程序设计中的优化策略，其基本思路是：从一开始大家都在共享同一个内容，当某个人想要修改这个内容的时候，才会真正的把内容copy出去形成一个新的内容再修改，这是一种延时懒惰策略。

  1. 什么是CopyOnWrite容器

CopyOnWrite容器即是写时复制容器，通俗的理解就是 当我们向一个容器中添加元素的时候，首先先将当前容器进行copy，复制出一个新的容器，然后新的容器里添加元素，添加完元素之后，再将原容器的引用指向新的容器。 这样做的好处是我们可以对CopyOnWrite进行并发的读，则不需要进行加锁，因为当前容器不会添加任何元素，所以CopyOnWrite容器是一种读写分离的思想，读和写不同的容器。

“写入时复制容器”返回的迭代器不会抛出ConcurrentModificationException，并且返回的元素迭代器创建时的元素完全一致，而不必考虑之后修改操作所带来的影响。

4.1. 关于CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList用于代替同步的List(具体指的是Vector)，在某些情况下他提供了更好的并发性能，在迭代期间不需要对容器进行加锁或者复制。类似的CopyOnWriteArraySet作用是来代替Set

“写入时复制”容器的线程安全性在于，只要正确发布一个事实不可变的对象，那么在访问该对象时就不需要再进一步的同步。在每次修改时都会创建并重新发布一个新的容器副本，从而实现可变性。

引用场景是读多写少的情况下，比如搜索网站，但是CopyOnWriteArrayList只能保证数据的最终一致性，但是不能保证数据的实时一致性。其次是占用内存，写时复制机制会在内存中同时驻扎两个对象的内存

源码解析：
基于JDK1.8

//add()方法
public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();//获取锁
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);//复制数组
        newElements[len] = e;
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        lock.unlock();//释放锁
    }
}

//get()方法
public E get(int index) {
    return get(getArray(), index);
}

在进行读的时候不需要进行加锁，如果此时有多个线程正在向CopyOnWriteArrayList添加元素，读操作仍然会读到旧数组中的元素。因为写的时候不会锁住当前的CopyOnWriteArrayList

未完。。。

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