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  • Java同步并发容器类

    千次阅读 2017-04-18 21:16:11
    同步容器类包括vector和Hashtable。此外还包括jdk1.2中添加的一些功能相似的类,这些同步封装器是由Collections.synchronizedXxx等工厂方法创建的。这些类实现线程安全的方式是:将它们的状态封装起来,并对每个共有...

    同步容器

    同步容器类包括vector和Hashtable。此外还包括jdk1.2中添加的一些功能相似的类,这些同步封装器是由Collections.synchronizedXxx等工厂方法创建的。这些类实现线程安全的方式是:将它们的状态封装起来,并对每个共有方法都进行同步,使得每次只有一个线程能访问容器的状态。

    同步容器类的问题

    同步容器类都是线程安全的,但在某些情况下可能需要额外的客户端加锁来保护复合操作。容器上常见的复合操作包括:迭代以及条件运算,例如若没有KEY值则添加,有则覆盖。在同步容器中,这些复合操作在没有加锁的情况下仍然是线程安全的,但当其他线程并发的修改容器时,就会出现意料之外的事情。

    public class Test3 {
    	Vector<String> list=new Vector<String>(){
    		{
    			add("A");
    			add("B");
    			add("C");
    		}
    		
    	};
    	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {		
    		Test3 t=new Test3();
    		t.start();
    	}
    	public void start(){
    		VgetLast v1=new VgetLast();
    		Thread t1=new Thread(v1);
    		VdeleteLast v2=new VdeleteLast();
    		Thread t2=new Thread(v2);
    		t1.start();
    		t2.start();
    	}
    	public static String getLast(Vector<String> v){
    		int lastIndex=v.size()-1;
    		return v.get(lastIndex);
    	}
    	public static String deleteLast(Vector<String> v){
    		int lastIndex=v.size()-1;
    		return v.remove(lastIndex);
    	}
    	class VgetLast implements Runnable{
    
    		public void run() {
    			System.out.println(getLast(list));
    		}
    		
    	}
    	class VdeleteLast implements Runnable{
    
    		public void run() {
    			System.out.println(deleteLast(list));
    		}
    		
    	}
    }
    上面这段代码虽然我最开始执行的是get操作,后面执行的是remove操作,但是在多线程情况下,它并不能保证执行顺序。因为他们会交替执行。也就是说我读取到的list集合长度不是最新的,所以就导致我取得时候回抛出异常。

    CException in thread "Thread-0" 
    java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: Array index out of range: 2
    at java.util.Vector.get(Unknown Source)
    at xiancheng.Test3.getLast(Test3.java:30)
    at xiancheng.Test3$VgetLast.run(Test3.java:39)
    at java.lang.Thread.run(Unknown Source)

    由于同步容器类要遵守同步策略,即支持客户端加锁,因此可能会创建一些新的操作,只要我们知道应该使用哪一个锁,那么这些操作就会变成原子操作。

    public class Test3 {
    	static Vector<String> list=new Vector<String>(){
    		{
    			add("A");
    			add("B");
    			add("C");
    		}
    		
    	};
    	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {		
    		Test3 t=new Test3();
    		t.start();
    	}
    	public void start(){
    		VgetLast v1=new VgetLast();
    		Thread t1=new Thread(v1);
    		VdeleteLast v2=new VdeleteLast();
    		Thread t2=new Thread(v2);
    		t1.start();
    		t2.start();
    	}
    	public static String getLast(Vector<String> v){
    		synchronized (list) {
    			int lastIndex=v.size()-1;
    			return v.get(lastIndex);
    		}
    	}
    	public static String deleteLast(Vector<String> v){
    		synchronized (list) {
    			int lastIndex=v.size()-1;
    			return v.remove(lastIndex);
    		}
    	}
    	class VgetLast implements Runnable{
    
    		public void run() {
    			System.out.println(getLast(list));
    		}
    		
    	}
    	class VdeleteLast implements Runnable{
    
    		public void run() {
    			System.out.println(deleteLast(list));
    		}
    		
    	}
    }
    这样的话就没有任何异常了,看起来似乎一切正常,但是有如果先执行了remove操作,再执行get操作的话,我们的结果值可能会不是我们想要的结果。

    并发容器:

    针对这些问题jdk1.5之后提供了并发容器来改进同步容器的性能。同步容器将所有对容器状态的访问都串行化,以实现他们的线程安全性。这种方法的代价是严重降低并发性,当多个线程竞争容器的锁时,吞吐量将严重降低。

    ConcurrentHashMap

    同步容器类在执行每个操作期间都会持有一个锁。在一些操作中,例如HashMap.get或者list.contains,可能会包含大量的工作;当遍历散列桶或链表来查找某个特定的对线时,必须在许多元素上调用equals。

    下面看到一篇很经典的分析ConcurrentHashMap的文章拿出来分享学习下

    术语定义

    术语英文解释
    哈希算法hash algorithm是一种将任意内容的输入转换成相同长度输出的加密方式,其输出被称为哈希值。 
    哈希表hash table根据设定的哈希函数H(key)和处理冲突方法将一组关键字映象到一个有限的地址区间上,并以关键字在地址区间中的象作为记录在表中的存储位置,这种表称为哈希表或散列,所得存储位置称为哈希地址或散列地址。

    线程不安全的HashMap

    因为多线程环境下,使用Hashmap进行put操作会引起死循环,导致CPU利用率接近100%,所以在并发情况下不能使用HashMap。

    如以下代码:

    01final HashMap<String, String> map = new HashMap<String, String>(2);
    02 
    03        Thread t = new Thread(new Runnable() {
    04 
    05            @Override
    06 
    07            public void run() {
    08 
    09                for (int i = 0; i < 10000; i++) {
    10 
    11                    new Thread(new Runnable() {
    12 
    13                        @Override
    14 
    15                        public void run() {
    16 
    17                            map.put(UUID.randomUUID().toString(), "");
    18 
    19                        }
    20 
    21                    }, "ftf" + i).start();
    22 
    23                }
    24 
    25            }
    26 
    27        }, "ftf");
    28 
    29        t.start();
    30 
    31        t.join();

    效率低下的HashTable容器

         HashTable容器使用synchronized来保证线程安全,但在线程竞争激烈的情况下HashTable的效率非常低下。因为当一个线程访问HashTable的同步方法时,其他线程访问HashTable的同步方法时,可能会进入阻塞或轮询状态。如线程1使用put进行添加元素,线程2不但不能使用put方法添加元素,并且也不能使用get方法来获取元素,所以竞争越激烈效率越低。

    ConcurrentHashMap的锁分段技术

         HashTable容器在竞争激烈的并发环境下表现出效率低下的原因,是因为所有访问HashTable的线程都必须竞争同一把锁,那假如容器里有多把锁,每一把锁用于锁容器其中一部分数据,那么当多线程访问容器里不同数据段的数据时,线程间就不会存在锁竞争,从而可以有效的提高并发访问效率,这就是ConcurrentHashMap所使用的锁分段技术,首先将数据分成一段一段的存储,然后给每一段数据配一把锁,当一个线程占用锁访问其中一个段数据的时候,其他段的数据也能被其他线程访问。

    ConcurrentHashMap的结构

    我们通过ConcurrentHashMap的类图来分析ConcurrentHashMap的结构。
    ConcurrentHashMap类图
    ConcurrentHashMap是由Segment数组结构和HashEntry数组结构组成。Segment是一种可重入锁ReentrantLock,在ConcurrentHashMap里扮演锁的角色,HashEntry则用于存储键值对数据。一个ConcurrentHashMap里包含一个Segment数组,Segment的结构和HashMap类似,是一种数组和链表结构, 一个Segment里包含一个HashEntry数组,每个HashEntry是一个链表结构的元素, 每个Segment守护者一个HashEntry数组里的元素,当对HashEntry数组的数据进行修改时,必须首先获得它对应的Segment锁。
    ConcurrentHashMap结构图
     

    ConcurrentHashMap的初始化

    ConcurrentHashMap初始化方法是通过initialCapacity,loadFactor, concurrencyLevel几个参数来初始化segments数组,段偏移量segmentShift,段掩码segmentMask和每个segment里的HashEntry数组。

    初始化segments数组。让我们来看一下初始化segmentShift,segmentMask和segments数组的源代码。

    01if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS)
    02 
    03concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS;
    04 
    05// Find power-of-two sizes best matching arguments
    06 
    07int sshift = 0;
    08 
    09int ssize = 1;
    10 
    11while (ssize < concurrencyLevel) {
    12 
    13++sshift;
    14 
    15ssize <<= 1;
    16 
    17}
    18 
    19segmentShift = 32 - sshift;
    20 
    21segmentMask = ssize - 1;
    22 
    23this.segments = Segment.newArray(ssize);

    由上面的代码可知segments数组的长度ssize通过concurrencyLevel计算得出。为了能通过按位与的哈希算法来定位segments数组的索引,必须保证segments数组的长度是2的N次方(power-of-two size),所以必须计算出一个是大于或等于concurrencyLevel的最小的2的N次方值来作为segments数组的长度。假如concurrencyLevel等于14,15或16,ssize都会等于16,即容器里锁的个数也是16。注意concurrencyLevel的最大大小是65535,意味着segments数组的长度最大为65536,对应的二进制是16位。

    初始化segmentShift和segmentMask。这两个全局变量在定位segment时的哈希算法里需要使用,sshift等于ssize从1向左移位的次数,在默认情况下concurrencyLevel等于16,1需要向左移位移动4次,所以sshift等于4。segmentShift用于定位参与hash运算的位数,segmentShift等于32减sshift,所以等于28,这里之所以用32是因为ConcurrentHashMap里的hash()方法输出的最大数是32位的,后面的测试中我们可以看到这点。segmentMask是哈希运算的掩码,等于ssize减1,即15,掩码的二进制各个位的值都是1。因为ssize的最大长度是65536,所以segmentShift最大值是16,segmentMask最大值是65535,对应的二进制是16位,每个位都是1。

    初始化每个Segment。输入参数initialCapacity是ConcurrentHashMap的初始化容量,loadfactor是每个segment的负载因子,在构造方法里需要通过这两个参数来初始化数组中的每个segment。

    01if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
    02 
    03          initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
    04 
    05      int c = initialCapacity / ssize;
    06 
    07      if (c * ssize < initialCapacity)
    08 
    09          ++c;
    10 
    11      int cap = 1;
    12 
    13      while (cap < c)
    14 
    15          cap <<= 1;
    16 
    17      for (int i = 0; i < this.segments.length; ++i)
    18 
    19          this.segments[i] = new Segment<K,V>(cap, loadFactor);

    上面代码中的变量cap就是segment里HashEntry数组的长度,它等于initialCapacity除以ssize的倍数c,如果c大于1,就会取大于等于c的2的N次方值,所以cap不是1,就是2的N次方。segment的容量threshold=(int)cap*loadFactor,默认情况下initialCapacity等于16,loadfactor等于0.75,通过运算cap等于1,threshold等于零。

    定位Segment

    既然ConcurrentHashMap使用分段锁Segment来保护不同段的数据,那么在插入和获取元素的时候,必须先通过哈希算法定位到Segment。可以看到ConcurrentHashMap会首先使用Wang/Jenkins hash的变种算法对元素的hashCode进行一次再哈希。

    1private static int hash(int h) {
    2 
    3h += (h << 15) ^ 0xffffcd7d; h ^= (h >>> 10);
    4 
    5h += (h << 3); h ^= (h >>> 6);
    6 
    7h += (h << 2) + (h << 14); return h ^ (h >>> 16);
    8 
    9}

    再哈希,其目的是为了减少哈希冲突,使元素能够均匀的分布在不同的Segment上,从而提高容器的存取效率。假如哈希的质量差到极点,那么所有的元素都在一个Segment中,不仅存取元素缓慢,分段锁也会失去意义。我做了一个测试,不通过再哈希而直接执行哈希计算。

    1System.out.println(Integer.parseInt("0001111"2) & 15);
    2 
    3System.out.println(Integer.parseInt("0011111"2) & 15);
    4 
    5System.out.println(Integer.parseInt("0111111"2) & 15);
    6 
    7System.out.println(Integer.parseInt("1111111"2) & 15);

    计算后输出的哈希值全是15,通过这个例子可以发现如果不进行再哈希,哈希冲突会非常严重,因为只要低位一样,无论高位是什么数,其哈希值总是一样。我们再把上面的二进制数据进行再哈希后结果如下,为了方便阅读,不足32位的高位补了0,每隔四位用竖线分割下。

    101000111011001111101101001001110
    2 
    311110111010000110000000110111000
    4 
    501110111011010010100011000111110
    6 
    710000011000000001100100000011010

    可以发现每一位的数据都散列开了,通过这种再哈希能让数字的每一位都能参加到哈希运算当中,从而减少哈希冲突。ConcurrentHashMap通过以下哈希算法定位segment。

    默认情况下segmentShift为28,segmentMask为15,再哈希后的数最大是32位二进制数据,向右无符号移动28位,意思是让高4位参与到hash运算中, (hash >>> segmentShift) & segmentMask的运算结果分别是4,15,7和8,可以看到hash值没有发生冲突。

    1final Segment<K,V> segmentFor(int hash) {
    2 
    3        return segments[(hash >>> segmentShift) & segmentMask];
    4 
    5    }

    ConcurrentHashMap的get操作

    Segment的get操作实现非常简单和高效。先经过一次再哈希,然后使用这个哈希值通过哈希运算定位到segment,再通过哈希算法定位到元素,代码如下:

    1public V get(Object key) {
    2 
    3       int hash = hash(key.hashCode());
    4 
    5       return segmentFor(hash).get(key, hash);
    6 
    7   }

    get操作的高效之处在于整个get过程不需要加锁,除非读到的值是空的才会加锁重读,我们知道HashTable容器的get方法是需要加锁的,那么ConcurrentHashMap的get操作是如何做到不加锁的呢?原因是它的get方法里将要使用的共享变量都定义成volatile,如用于统计当前Segement大小的count字段和用于存储值的HashEntry的value。定义成volatile的变量,能够在线程之间保持可见性,能够被多线程同时读,并且保证不会读到过期的值,但是只能被单线程写(有一种情况可以被多线程写,就是写入的值不依赖于原值),在get操作里只需要读不需要写共享变量count和value,所以可以不用加锁。之所以不会读到过期的值,是根据java内存模型的happen before原则,对volatile字段的写入操作先于读操作,即使两个线程同时修改和获取volatile变量,get操作也能拿到最新的值,这是用volatile替换锁的经典应用场景。

    1transient volatile int count;
    2 
    3volatile V value;

    在定位元素的代码里我们可以发现定位HashEntry和定位Segment的哈希算法虽然一样,都与数组的长度减去一相与,但是相与的值不一样,定位Segment使用的是元素的hashcode通过再哈希后得到的值的高位,而定位HashEntry直接使用的是再哈希后的值。其目的是避免两次哈希后的值一样,导致元素虽然在Segment里散列开了,但是却没有在HashEntry里散列开。

    1hash >>> segmentShift) & segmentMask//定位Segment所使用的hash算法
    2 
    3int index = hash & (tab.length - 1);// 定位HashEntry所使用的hash算法

    ConcurrentHashMap的Put操作

    由于put方法里需要对共享变量进行写入操作,所以为了线程安全,在操作共享变量时必须得加锁。Put方法首先定位到Segment,然后在Segment里进行插入操作。插入操作需要经历两个步骤,第一步判断是否需要对Segment里的HashEntry数组进行扩容,第二步定位添加元素的位置然后放在HashEntry数组里。

    是否需要扩容。在插入元素前会先判断Segment里的HashEntry数组是否超过容量(threshold),如果超过阀值,数组进行扩容。值得一提的是,Segment的扩容判断比HashMap更恰当,因为HashMap是在插入元素后判断元素是否已经到达容量的,如果到达了就进行扩容,但是很有可能扩容之后没有新元素插入,这时HashMap就进行了一次无效的扩容。

    如何扩容。扩容的时候首先会创建一个两倍于原容量的数组,然后将原数组里的元素进行再hash后插入到新的数组里。为了高效ConcurrentHashMap不会对整个容器进行扩容,而只对某个segment进行扩容。

    ConcurrentHashMap的size操作

    如果我们要统计整个ConcurrentHashMap里元素的大小,就必须统计所有Segment里元素的大小后求和。Segment里的全局变量count是一个volatile变量,那么在多线程场景下,我们是不是直接把所有Segment的count相加就可以得到整个ConcurrentHashMap大小了呢?不是的,虽然相加时可以获取每个Segment的count的最新值,但是拿到之后可能累加前使用的count发生了变化,那么统计结果就不准了。所以最安全的做法,是在统计size的时候把所有Segment的put,remove和clean方法全部锁住,但是这种做法显然非常低效。

    因为在累加count操作过程中,之前累加过的count发生变化的几率非常小,所以ConcurrentHashMap的做法是先尝试2次通过不锁住Segment的方式来统计各个Segment大小,如果统计的过程中,容器的count发生了变化,则再采用加锁的方式来统计所有Segment的大小。

    那么ConcurrentHashMap是如何判断在统计的时候容器是否发生了变化呢?使用modCount变量,在put , remove和clean方法里操作元素前都会将变量modCount进行加1,那么在统计size前后比较modCount是否发生变化,从而得知容器的大小是否发生变化。

    原创文章,转载请注明: 转载自并发编程网 – ifeve.com本文链接地址: 聊聊并发(四)深入分析ConcurrentHashMap
    CopyOnWriteArrayList

    聊聊并发-Java中的Copy-On-Write容器

    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,才会真正把内容Copy出去形成一个新的内容然后再改,这是一种延时懒惰策略。从JDK1.5开始Java并发包里提供了两个使用CopyOnWrite机制实现的并发容器,它们是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。CopyOnWrite容器非常有用,可以在非常多的并发场景中使用到。

    什么是CopyOnWrite容器

    CopyOnWrite容器即写时复制的容器。通俗的理解是当我们往一个容器添加元素的时候,不直接往当前容器添加,而是先将当前容器进行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容器进行并发的读,而不需要加锁,因为当前容器不会添加任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一种读写分离的思想,读和写不同的容器。

    CopyOnWriteArrayList的实现原理

    在使用CopyOnWriteArrayList之前,我们先阅读其源码了解下它是如何实现的。以下代码是向ArrayList里添加元素,可以发现在添加的时候是需要加锁的,否则多线程写的时候会Copy出N个副本出来。

    01public boolean add(T e) {
    02    final ReentrantLock lock = this.lock;
    03    lock.lock();
    04    try {
    05 
    06        Object[] elements = getArray();
    07 
    08        int len = elements.length;
    09        // 复制出新数组
    10 
    11        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
    12        // 把新元素添加到新数组里
    13 
    14        newElements[len] = e;
    15        // 把原数组引用指向新数组
    16 
    17        setArray(newElements);
    18 
    19        return true;
    20 
    21    finally {
    22 
    23        lock.unlock();
    24 
    25    }
    26 
    27}
    28 
    29final void setArray(Object[] a) {
    30    array = a;
    31}

    读的时候不需要加锁,如果读的时候有多个线程正在向ArrayList添加数据,读还是会读到旧的数据,因为写的时候不会锁住旧的ArrayList。

    1public E get(int index) {
    2    return get(getArray(), index);
    3}

    JDK中并没有提供CopyOnWriteMap,我们可以参考CopyOnWriteArrayList来实现一个,基本代码如下:

    01import java.util.Collection;
    02import java.util.Map;
    03import java.util.Set;
    04 
    05public class CopyOnWriteMap<K, V> implements Map<K, V>, Cloneable {
    06    private volatile Map<K, V> internalMap;
    07 
    08    public CopyOnWriteMap() {
    09        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);