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Java多線程之同步集合和並發集合

本文轉載自   查看原文   2018-10-25 16:06   4052 

Java多線程之同步集合和並發集合

 

不管是同步集合還是並發集合他們都支持線程安全，他們之間主要的區別體現在性能和可擴展性，還有他們如何實現的線程安全。

 

 

 

同步集合類

  • Hashtable
  • Vector
  • 同步集合包裝類，Collections.synchronizedMap()和Collections.synchronizedList() 

 

 

並發集合類

  • ConcurrentHashMap
  • CopyOnWriteArrayList
  • CopyOnWriteHashSet

 

 

性能

      同步集合比並發集合會慢得多，主要原因是鎖，同步集合會對整個May或List加鎖

 

 

 

並發集合的實現原理

 

  • ConcurrentHashMap：把整個Map 划分成幾個片段，只對相關的幾個片段上鎖，同時允許多線程訪問其他未上鎖的片段。
  • CopyOnWriteArrayList：允許多個線程以非同步的方式讀，當有線程寫的時候它會將整個List復制一個副本給它。如果在讀多寫少這種對並發集合有利的條件下使用並發集合，這會比使用同步集合更具有可伸縮性。

 

 

並發集合的使用建議

 

  • 一般不需要多線程的情況，只用到HashMap、ArrayList，只要真正用到多線程的時候就一定要考慮同步。所以這時候才需要考慮同步集合或並發集合。

 

 

ConcurrentHashMap實現原理

 

       ConcurrentHashMap是由Segment數組結構和HashEntry數組結構組成。Segment是一種可重入鎖ReentrantLock，在ConcurrentHashMap里扮演鎖的角色，HashEntry則用於存儲鍵值對數據。一個ConcurrentHashMap里包含一個Segment數組，Segment的結構和HashMap類似，是一種數組和鏈表結構， 一個Segment里包含一個HashEntry數組，每個HashEntry是一個鏈表結構的元素， 每個Segment守護者一個HashEntry數組里的元素,當對HashEntry數組的數據進行修改時，必須首先獲得它對應的Segment鎖。

 

 

 

 

 

什么是CopyOnWrite容器

 

 

       CopyOnWrite容器即寫時復制的容器。通俗的理解是當我們往一個容器添加元素的時候，不直接往當前容器添加，而是先將當前容器進行Copy，復制出一個新的容器，然后新的容器里添加元素，添加完元素之后，再將原容器的引用指向新的容器。這樣做的好處是我們可以對CopyOnWrite容器進行並發的讀，而不需要加鎖，因為當前容器不會添加任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一種讀寫分離的思想，讀和寫不同的容器。

 

 

 

 

CopyOnWriteArrayList的實現原理

 

可以發現在添加的時候是需要加鎖的，否則多線程寫的時候會Copy出N個副本出來。

Java代碼   收藏代碼
  1. public boolean add(T e) {  
  2.     final ReentrantLock lock = this.lock;  
  3.     lock.lock();  
  4.     try {  
  5.   
  6.         Object[] elements = getArray();  
  7.   
  8.         int len = elements.length;  
  9.   
  10.         // 復制出新數組  
  11.         Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);  
  12.   
  13.         // 把新元素添加到新數組里  
  14.         newElements[len] = e;  
  15.   
  16.         // 把原數組引用指向新數組  
  17.         setArray(newElements);  
  18.   
  19.         return true;  
  20.   
  21.     } finally {  
  22.         lock.unlock();  
  23.     }  
  24. }  
  25.   
  26.   
  27. final void setArray(Object[] a) {  
  28.   
  29.     array = a;  
  30.   
  31. }  

 

讀的時候不需要加鎖，如果讀的時候有多個線程正在向ArrayList添加數據，讀還是會讀到舊的數據，因為寫的時候不會鎖住舊的ArrayList。

Java代碼   收藏代碼
  1. public E get(int index) {  
  2.     return get(getArray(), index);  
  3. }  

 

JDK中並沒有提供CopyOnWriteMap，我們可以參考CopyOnWriteArrayList來實現一個，基本代碼如下：

 

Java代碼   收藏代碼
  1. import java.util.Collection;  
  2. import java.util.Map;  
  3. import java.util.Set;  
  4.    
  5. public class CopyOnWriteMap<K, V> implements Map<K, V>, Cloneable {  
  6.     private volatile Map<K, V> internalMap;  
  7.    
  8.     public CopyOnWriteMap() {  
  9.         internalMap = new HashMap<K, V>();  
  10.     }  
  11.    
  12.     public V put(K key, V value) {  
  13.    
  14.         synchronized (this) {  
  15.             Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);  
  16.             V val = newMap.put(key, value);  
  17.             internalMap = newMap;  
  18.             return val;  
  19.         }  
  20.     }  
  21.    
  22.     public V get(Object key) {  
  23.         return internalMap.get(key);  
  24.     }  
  25.    
  26.     public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> newData) {  
  27.         synchronized (this) {  
  28.             Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);  
  29.             newMap.putAll(newData);  
  30.             internalMap = newMap;  
  31.         }  
  32.     }  
  33. }  

 

 

 

 

CopyOnWrite的應用場景

 

       CopyOnWrite並發容器用於讀多寫少的並發場景。比如白名單，黑名單，商品類目的訪問和更新場景，假如我們有一個搜索網站，用戶在這個網站的搜索框中，輸入關鍵字搜索內容，但是某些關鍵字不允許被搜索。這些不能被搜索的關鍵字會被放在一個黑名單當中，黑名單每天晚上更新一次。當用戶搜索時，會檢查當前關鍵字在不在黑名單當中，如果在，則提示不能搜索。實現代碼如下：

 

Java代碼   收藏代碼
  1. package com.ifeve.book;  
  2.    
  3. import java.util.Map;  
  4. import com.ifeve.book.forkjoin.CopyOnWriteMap;  
  5.   
  6. /** 
  7.  * 黑名單服務 
  8.  * 
  9.  * @author fangtengfei 
  10.  * 
  11.  */  
  12. public class BlackListServiceImpl {  
  13.    
  14.     private static CopyOnWriteMap<String, Boolean> blackListMap = new CopyOnWriteMap<String, Boolean>(  
  15.             1000);  
  16.    
  17.     public static boolean isBlackList(String id) {  
  18.         return blackListMap.get(id) == null ? false : true;  
  19.     }  
  20.    
  21.     public static void addBlackList(String id) {  
  22.         blackListMap.put(id, Boolean.TRUE);  
  23.     }  
  24.    
  25.     /** 
  26.      * 批量添加黑名單 
  27.      * 
  28.      * @param ids 
  29.      */  
  30.     public static void addBlackList(Map<String,Boolean> ids) {  
  31.         blackListMap.putAll(ids);  
  32.     }  
  33. }  

 

 

注意兩點：

 

  • 減少擴容開銷。根據實際需要，初始化CopyOnWriteMap的大小，避免寫時CopyOnWriteMap擴容的開銷。
  • 使用批量添加。因為每次添加，容器每次都會進行復制，所以減少添加次數，可以減少容器的復制次數。如使用上面代碼里的addBlackList方法。

 

 

 

CopyOnWrite的缺點

 

內存占用問題

 

因為CopyOnWrite的寫時復制機制，所以在進行寫操作的時候，內存里會同時駐扎兩個對象的內存，舊的對象和新寫入的對象（注意:在復制的時候只是復制容器里的引用，只是在寫的時候會創建新對象添加到新容器里，而舊容器的對象還在使用，所以有兩份對象內存）。如果這些對象占用的內存比較大，比如說200M左右，那么再寫入100M數據進去，內存就會占用300M，那么這個時候很有可能造成頻繁的Yong GC和Full GC。之前我們系統中使用了一個服務由於每晚使用CopyOnWrite機制更新大對象，造成了每晚15秒的Full GC，應用響應時間也隨之變長。

 

針對內存占用問題，可以通過壓縮容器中的元素的方法來減少大對象的內存消耗，比如，如果元素全是10進制的數字，可以考慮把它壓縮成36進制或64進制。或者不使用CopyOnWrite容器，而使用其他的並發容器，如ConcurrentHashMap。

 

 

數據一致性問題

 

CopyOnWrite容器只能保證數據的最終一致性，不能保證數據的實時一致性。所以如果你希望寫入的的數據，馬上能讀到，請不要使用CopyOnWrite容器。


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