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來(lái)源 | 悟空聊架構(gòu)(ID:PassJava666)
一、線(xiàn)程不安全之ArrayList
集合框架有Map和Collection兩大類(lèi),Collection下面有List、Set、Queue。List下面有ArrayList、Vector、LinkedList。
JUC并發(fā)包下的集合類(lèi)Collections有Queue、CopyOnWriteArrayList、CopyOnWriteArraySet、ConcurrentMap
我們先來(lái)看看ArrayList。
1.1、ArrayList的底層初始化操作
首先我們來(lái)復(fù)習(xí)下ArrayList的使用,下面是初始化一個(gè)ArrayList,數(shù)組存放的是Integer類(lèi)型的值。
new ArrayList();
那么底層做了什么操作呢?
1.2、ArrayList的底層原理
1.2.1 初始化數(shù)組
/**
?*?Constructs?an?empty?list?with?an?initial?capacity?of?ten.
?*/ public ArrayList() { this.elementData?=?DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
創(chuàng)建了一個(gè)空數(shù)組,容量為0,根據(jù)官方的英文注釋?zhuān)@里容量應(yīng)該為10,但其實(shí)是0,后續(xù)會(huì)講到為什么不是10。
1.2.1 ArrayList的add操作
public boolean add(E?e) {
????ensureCapacityInternal(size?+ 1); //?Increments?modCount!! elementData[size++]?=?e; return true;
}
重點(diǎn)是這一步:elementData[size++] = e; size++和elementData[xx]=e,這兩個(gè)操作都不是原子操作(不可分割的一個(gè)或一系列操作,要么都成功執(zhí)行,要么都不執(zhí)行)。
1.2.2 ArrayList擴(kuò)容源碼解析
(1)執(zhí)行add操作時(shí),會(huì)先確認(rèn)是否超過(guò)數(shù)組大小
ensureCapacityInternal(size?+ 1);
(2)計(jì)算數(shù)組的當(dāng)前容量calculateCapacity
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
????ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData,?minCapacity));
}
minCapacity: 值為1
elementData:代表當(dāng)前數(shù)組
我們先看ensureCapacityInternal調(diào)用的ensureCapacityInternal方法
calculateCapacity(elementData,?minCapacity)
calculateCapacity方法如下:
private static int calculateCapacity(Object[]?elementData, int minCapacity) { if (elementData?==?DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)?{ return Math.max(DEFAULT_CAPACITY,?minCapacity);
????} return minCapacity;
}
elementData:代表當(dāng)前數(shù)組,添加第一個(gè)元素時(shí),elementData等于DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA(空數(shù)組)
minCapacity:等于1
DEFAULT_CAPACITY:等于10
返回 Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity) = 10
小結(jié):所以第一次添加元素時(shí),計(jì)算數(shù)組的大小為10
(3)確定當(dāng)前容量ensureExplicitCapacity
minCapacity = 10
elementData.length=0
小結(jié):因minCapacity > elementData.length,所以進(jìn)行第一次擴(kuò)容,調(diào)用grow()方法從0擴(kuò)大到10。
(4)調(diào)用grow方法
oldCapacity=0,newCapacity=10。
然后執(zhí)行 elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
將當(dāng)前數(shù)組和容量大小進(jìn)行數(shù)組拷貝操作,賦值給elementData。數(shù)組的容量設(shè)置為10
elementData的值和DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA的值將會(huì)不一樣。
(5)然后將元素賦值給數(shù)組第一個(gè)元素,且size自增1
elementData[size++]?=?e;
(6)添加第二個(gè)元素時(shí),傳給ensureCapacityInternal的是2
ensureCapacityInternal(size?+?1)
size=1,size+1=2
(7)第二次添加元素時(shí),執(zhí)行calculateCapacity
elementData的值和DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA的值不相等,所以直接返回2
(8)第二次添加元素時(shí),執(zhí)行ensureExplicitCapacity
因minCapacity等于2,小于當(dāng)前數(shù)組的長(zhǎng)度10,所以不進(jìn)行擴(kuò)容,不執(zhí)行g(shù)row方法。
(9)將第二個(gè)元素添加到數(shù)組中,size自增1
elementData[size++]?=?e
(10)當(dāng)添加第11個(gè)元素時(shí)調(diào)用grow方法進(jìn)行擴(kuò)容
minCapacity=11, elementData.length=10,調(diào)用grow方法。
(11)擴(kuò)容1.5倍
int newCapacity?=?oldCapacity?+?(oldCapacity?>> 1);
oldCapacity=10,先換算成二級(jí)制1010,然后右移一位,變成0101,對(duì)應(yīng)十進(jìn)制5,所以newCapacity=10+5=15,擴(kuò)容1.5倍后是15。
(12)小結(jié)
-
1.ArrayList初始化為一個(gè)
空數(shù)組
-
2.ArrayList的Add操作不是線(xiàn)程安全的
-
3.ArrayList添加第一個(gè)元素時(shí),數(shù)組的容量設(shè)置為
10
-
4.當(dāng)ArrayList數(shù)組超過(guò)當(dāng)前容量時(shí),擴(kuò)容至
1.5倍(遇到計(jì)算結(jié)果為小數(shù)的,向下取整),第一次擴(kuò)容后,容量為15,第二次擴(kuò)容至22...
-
5.ArrayList在第一次和擴(kuò)容后都會(huì)對(duì)數(shù)組進(jìn)行拷貝,調(diào)用
Arrays.copyOf方法。
1.3、ArrayList單線(xiàn)程環(huán)境是否安全?
場(chǎng)景:
我們通過(guò)一個(gè)添加積木的例子來(lái)說(shuō)明單線(xiàn)程下ArrayList是線(xiàn)程安全的。
將 積木 三角形A、四邊形B、五邊形C、六邊形D、五角星E依次添加到一個(gè)盒子中,盒子中共有5個(gè)方格,每一個(gè)方格可以放一個(gè)積木。
代碼實(shí)現(xiàn):
(1)這次我們用新的積木類(lèi)BuildingBlockWithName
這個(gè)積木類(lèi)可以傳形狀shape和名字name
/**
?*?積木類(lèi)
?* @author:?悟空聊架構(gòu)
?* @create:?2020-08-27
?*/ class BuildingBlockWithName {
????String?shape;
????String?name; public BuildingBlockWithName(String?shape,?String?name) { this.shape?=?shape; this.name?=?name;
????} @Override public String toString() { return "BuildingBlockWithName{" + "shape='" +?shape?+ ",name=" +?name?+'}';
????}
}
(2)初始化一個(gè)ArrayList
ArrayListarrayList?= new ArrayList<>();
(3)依次添加三角形A、四邊形B、五邊形C、六邊形D、五角星E
arrayList.add(new BuildingBlockWithName("三角形", "A"));
arrayList.add(new BuildingBlockWithName("四邊形", "B"));
arrayList.add(new BuildingBlockWithName("五邊形", "C"));
arrayList.add(new BuildingBlockWithName("六邊形", "D"));
arrayList.add(new BuildingBlockWithName("五角星", "E"));
(4)驗(yàn)證arrayList中元素的內(nèi)容和順序是否和添加的一致
BuildingBlockWithName{shape='三角形,name=A}
BuildingBlockWithName{shape='四邊形,name=B}
BuildingBlockWithName{shape='五邊形,name=C}
BuildingBlockWithName{shape='六邊形,name=D}
BuildingBlockWithName{shape='五角星,name=E}
我們看到結(jié)果確實(shí)是一致的。
小結(jié): 單線(xiàn)程環(huán)境中,ArrayList是線(xiàn)程安全的。
1.4、多線(xiàn)程下ArrayList是不安全的
場(chǎng)景如下: 20個(gè)線(xiàn)程隨機(jī)往ArrayList添加一個(gè)任意形狀的積木。
(1)代碼實(shí)現(xiàn):20個(gè)線(xiàn)程往數(shù)組中隨機(jī)存放一個(gè)積木。
(2)打印結(jié)果:程序開(kāi)始運(yùn)行后,每個(gè)線(xiàn)程只存放一個(gè)隨機(jī)的積木。
數(shù)組中會(huì)不斷存放積木,多個(gè)線(xiàn)程會(huì)爭(zhēng)搶數(shù)組的存放資格,在存放過(guò)程中,會(huì)拋出一個(gè)異常: ConcurrentModificationException(并行修改異常)
Exception?in?thread "10" Exception?in?thread "13" java.util.ConcurrentModificationException
這個(gè)就是常見(jiàn)的并發(fā)異常:java.util.ConcurrentModificationException
1.5 那如何解決ArrayList線(xiàn)程不安全問(wèn)題呢?
有如下方案:
-
1.用Vector代替ArrayList
-
2.用Collections.synchronized(new ArrayList<>())
-
3.CopyOnWriteArrayList
1.6 Vector是保證線(xiàn)程安全的?
下面就來(lái)分析vector的源碼。
1.6.1 初始化Vector
初始化容量為10
public Vector() { this(10);
}
1.6.2 Add操作是線(xiàn)程安全的
Add方法加了synchronized,來(lái)保證add操作是線(xiàn)程安全的(保證可見(jiàn)性、原子性、有序性),對(duì)這幾個(gè)概念有不懂的可以看下之前的寫(xiě)的文章-》 反制面試官 | 14張?jiān)韴D | 再也不怕被問(wèn) volatile!
1.6.3 Vector擴(kuò)容至2倍
int?newCapacity?=?oldCapacity?+?((capacityIncrement?>?0)???capacityIncrement?:?oldCapacity);
注意: capacityIncrement 在初始化的時(shí)候可以傳值,不傳則默認(rèn)為0。如果傳了,則第一次擴(kuò)容時(shí)為設(shè)置的oldCapacity+capacityIncrement,第二次擴(kuò)容時(shí)擴(kuò)大1倍。
缺點(diǎn): 雖然保證了線(xiàn)程安全,但因?yàn)榧恿伺懦怄isynchronized,會(huì)造成阻塞,所以性能降低。
1.6.4 用積木模擬Vector的add操作
當(dāng)往vector存放元素時(shí),給盒子加了一個(gè)鎖,只有一個(gè)人可以存放積木,放完后,釋放鎖,放第二元素時(shí),再進(jìn)行加鎖,依次往復(fù)進(jìn)行。
1.7 使用Collections.synchronizedList保證線(xiàn)程安全
我們可以使用Collections.synchronizedList方法來(lái)封裝一個(gè)ArrayList。
ListarrayList?=?Collections.synchronizedList(new?ArrayList<>());
為什么這樣封裝后,就是線(xiàn)程安全的?
源碼解析: 因?yàn)镃ollections.synchronizedList封裝后的list,list的所有操作方法都是帶synchronized關(guān)鍵字的(除iterator()之外),相當(dāng)于所有操作都會(huì)進(jìn)行加鎖,所以使用它是線(xiàn)程安全的(除迭代數(shù)組之外)。
注意: 當(dāng)?shù)鷶?shù)組時(shí),需要手動(dòng)做同步。官方示例如下:
synchronized (list)?{
?????Iterator?i?=?list.iterator(); //?Must?be?in?synchronized?block while (i.hasNext())
?????????foo(i.next());
}
1.8 使用CopyOnWriteArrayList保證線(xiàn)程安全
1.8.1 CopyOnWriteArrayList思想
-
Copy on write:寫(xiě)時(shí)復(fù)制,一種讀寫(xiě)分離的思想。
-
寫(xiě)操作:添加元素時(shí),不直接往當(dāng)前容器添加,而是先拷貝一份數(shù)組,在新的數(shù)組中添加元素后,在將原容器的引用指向新的容器。因?yàn)閿?shù)組時(shí)用volatile關(guān)鍵字修飾的,所以當(dāng)array重新賦值后,其他線(xiàn)程可以立即知道(volatile的可見(jiàn)性)
-
讀操作:讀取數(shù)組時(shí),讀老的數(shù)組,不需要加鎖。
-
讀寫(xiě)分離:寫(xiě)操作是copy了一份新的數(shù)組進(jìn)行寫(xiě),讀操作是讀老的數(shù)組,所以是讀寫(xiě)分離。
1.8.2 使用方式
CopyOnWriteArrayListarrayList?= new CopyOnWriteArrayList<>();
1.8.3 底層源碼分析
add的流程:
-
先定義了一個(gè)可重入鎖
ReentrantLock
-
添加元素前,先獲取鎖
lock.lock()
-
添加元素時(shí),先拷貝當(dāng)前數(shù)組
Arrays.copyOf
-
添加元素時(shí),擴(kuò)容+1(
len + 1)
-
添加元素后,將數(shù)組引用指向新加了元素后的數(shù)組
setArray(newElements)
為什么數(shù)組重新賦值后,其他線(xiàn)程可以立即知道?
因?yàn)檫@里的數(shù)組是用volatile修飾的,哇,又是volatile,這個(gè)關(guān)鍵字真妙^_^
private transient volatile Object[]?array;
1.8.4 ReentrantLock 和synchronized的區(qū)別
劃重點(diǎn)
相同點(diǎn):
-
1.都是用來(lái)協(xié)調(diào)多線(xiàn)程對(duì)共享對(duì)象、變量的訪問(wèn)
-
2.都是可重入鎖,同一線(xiàn)程可以多次獲得同一個(gè)鎖
-
3.都保證了可見(jiàn)性和互斥性
不同點(diǎn):
-
1.ReentrantLock 顯示的獲得、釋放鎖, synchronized 隱式獲得釋放鎖
-
2.ReentrantLock 可響應(yīng)中斷, synchronized 是不可以響應(yīng)中斷的,為處理鎖的不可用性提供了更高的靈活性
-
3.ReentrantLock 是 API 級(jí)別的, synchronized 是 JVM 級(jí)別的
-
4.ReentrantLock 可以實(shí)現(xiàn)公平鎖、非公平鎖
-
5.ReentrantLock 通過(guò) Condition 可以綁定多個(gè)條件
-
6.底層實(shí)現(xiàn)不一樣, synchronized 是同步阻塞,使用的是悲觀并發(fā)策略, lock 是同步非阻塞,采用的是樂(lè)觀并發(fā)策略
1.8.5 Lock和synchronized的區(qū)別
-
1.Lock需要手動(dòng)獲取鎖和釋放鎖。就好比自動(dòng)擋和手動(dòng)擋的區(qū)別
-
1.Lock 是一個(gè)接口,而 synchronized 是 Java 中的關(guān)鍵字, synchronized 是內(nèi)置的語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。
-
2.synchronized 在發(fā)生異常時(shí),會(huì)自動(dòng)釋放線(xiàn)程占有的鎖,因此不會(huì)導(dǎo)致死鎖現(xiàn)象發(fā)生;而 Lock 在發(fā)生異常時(shí),如果沒(méi)有主動(dòng)通過(guò) unLock()去釋放鎖,則很可能造成死鎖現(xiàn)象,因此使用 Lock 時(shí)需要在 finally 塊中釋放鎖。
-
3.Lock 可以讓等待鎖的線(xiàn)程響應(yīng)中斷,而 synchronized 卻不行,使用 synchronized 時(shí),等待的線(xiàn)程會(huì)一直等待下去,不能夠響應(yīng)中斷。
-
4.通過(guò) Lock 可以知道有沒(méi)有成功獲取鎖,而 synchronized 卻無(wú)法辦到。
-
5.Lock 可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)鎖提高多個(gè)線(xiàn)程進(jìn)行讀操作的效率。
二、線(xiàn)程不安全之HashSet
有了前面大篇幅的講解ArrayList的線(xiàn)程不安全,以及如何使用其他方式來(lái)保證線(xiàn)程安全,現(xiàn)在講HashSet應(yīng)該更容易理解一些。
2.1 HashSet的用法
用法如下:
SetSet?= new HashSet<>();
set.add("a");
初始容量=10,負(fù)載因子=0.75(當(dāng)元素個(gè)數(shù)達(dá)到容量的75%,啟動(dòng)擴(kuò)容)
2.2 HashSet的底層原理
public HashSet()?{
????map?=?new?HashMap<>();
}
底層用的還是HashMap()。
考點(diǎn): 為什么HashSet的add操作只用傳一個(gè)參數(shù)(value),而HashMap需要傳兩個(gè)參數(shù)(key和value)
2.3 HashSet的add操作
private static final Object?PRESENT?= new Object(); public boolean add(E?e) { return map.put(e,?PRESENT)==null;
}
考點(diǎn)回答: 因?yàn)镠ashSet的add操作中,key等于傳的value值,而value是PRESENT,PRESENT是new Object();,所以傳給map的是 key=e, ?value=new Object。Hash只關(guān)心key,不考慮value。
為什么HashSet不安全: 底層add操作不保證可見(jiàn)性、原子性。所以不是線(xiàn)程安全的。
2.4 如何保證線(xiàn)程安全
-
1.使用Collections.synchronizedSet
Setset?=?Collections.synchronizedSet(new HashSet<>());
-
2.使用CopyOnWriteArraySet
CopyOnWriteArraySetset =?new?CopyOnWriteArraySet<>();
2.5 CopyOnWriteArraySet的底層還是使用的是CopyOnWriteArrayList
public CopyOnWriteArraySet() {
????al?= new CopyOnWriteArrayList();
}
三、線(xiàn)程不安全之HashMap
3.1 HashMap的使用
同理,HashMap和HashSet一樣,在多線(xiàn)程環(huán)境下也是線(xiàn)程不安全的。
Map?map?= new HashMap<>();
map.put("A", new BuildingBlockWithName("三角形", "A"));
3.2 HashMap線(xiàn)程不安全解決方案:
-
1.Collections.synchronizedMap
Map?map2?=?Collections.synchronizedMap(new?HashMap<>());
-
2.ConcurrentHashMap
ConcurrentHashMap?set3?=?new?ConcurrentHashMap<>();
3.3 ConcurrentHashMap原理
ConcurrentHashMap,它內(nèi)部細(xì)分了若干個(gè)小的 HashMap,稱(chēng)之為段(Segment)。默認(rèn)情況下一個(gè) ConcurrentHashMap 被進(jìn)一步細(xì)分為 16 個(gè)段,既就是鎖的并發(fā)度。如果需要在 ConcurrentHashMap 中添加一個(gè)新的表項(xiàng),并不是將整個(gè) HashMap 加鎖,而是首先根據(jù) hashcode 得到該表項(xiàng)應(yīng)該存放在哪個(gè)段中,然后對(duì)該段加鎖,并完成 put 操作。在多線(xiàn)程環(huán)境中,如果多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)進(jìn)行put操作,只要被加入的表項(xiàng)不存放在同一個(gè)段中,則線(xiàn)程間可以做到真正的并行。
四、其他的集合類(lèi)
LinkedList: 線(xiàn)程不安全,同ArrayListTreeSet: 線(xiàn)程不安全,同HashSetLinkedHashSet: 線(xiàn)程不安全,同HashSetTreeMap: 同HashMap,線(xiàn)程不安全HashTable: 線(xiàn)程安全
總結(jié)
本篇第一個(gè)部分詳細(xì)講述了ArrayList集合的底層擴(kuò)容原理,演示了ArrayList的線(xiàn)程不安全會(huì)導(dǎo)致拋出并發(fā)修改異常。然后通過(guò)源碼解析的方式講解了三種方式來(lái)保證線(xiàn)程安全:
-
Vector是通過(guò)在
add等方法前加
synchronized來(lái)保證線(xiàn)程安全
-
Collections.synchronized()是通過(guò)包裝數(shù)組,在數(shù)組的操作方法前加
synchronized來(lái)保證線(xiàn)程安全
-
CopyOnWriteArrayList通過(guò)
寫(xiě)時(shí)復(fù)制來(lái)保證線(xiàn)程安全的。
第二部分講解了HashSet的線(xiàn)程不安全性,通過(guò)兩種方式保證線(xiàn)程安全:
-
Collections.synchronizedSet
-
CopyOnWriteArraySet
第三部分講解了HashMap的線(xiàn)程不安全性,通過(guò)兩種方式保證線(xiàn)程安全:
-
Collections.synchronizedMap
-
ConcurrentHashMap
另外在講解的過(guò)程中,也詳細(xì)對(duì)比了ReentrantLock和synchronized及Lock和synchronized的區(qū)別。
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