列表实现有ArrayList、Vector、CopyOnWriteArrayList、Collections.synchronizedList(list)四种方式。
1 ArrayList
ArrayList是非线性安全,此类的 iterator 和 listIterator 方法返回的迭代器是快速失败的:在创建迭代器之后,除非通过迭代器自身的 remove 或 add 方法从结构上对列表进行修改,否则在任何时间以任何方式对列表进行修改,迭代器都会抛出 ConcurrentModificationException。即在一方在便利列表,而另一方在修改列表时,会报ConcurrentModificationException错误。而这不是唯一的并发时容易发生的错误,在多线程进行插入操作时,由于没有进行同步操作,容易丢失数据。
public boolean add(E e) { ensureCapacity(size + 1); // Increments modCount!! elementData[size++] = e;//使用了size++操作,会产生多线程数据丢失问题。 return true; }因此,在开发过程当中,ArrayList并不适用于多线程的操作。
2 Vector
从JDK1.0开始,Vector便存在JDK中,Vector是一个线程安全的列表,采用数组实现。其线程安全的实现方式是对所有操作都加上了synchronized关键字,这种方式严重影响效率,因此,不再推荐使用Vector了,Stackoverflow当中有这样的描述:
Why is Java Vector class considered obsolete or deprecated?。
3 Collections.synchronizedList & CopyOnWriteArrayList
CopyOnWriteArrayList和Collections.synchronizedList是实现线程安全的列表的两种方式。两种实现方式分别针对不同情况有不同的性能表现,其中CopyOnWriteArrayList的写操作性能较差,而多线程的读操作性能较好。而Collections.synchronizedList的写操作性能比CopyOnWriteArrayList在多线程操作的情况下要好很多,而读操作因为是采用了synchronized关键字的方式,其读操作性能并不如CopyOnWriteArrayList。因此在不同的应用场景下,应该选择不同的多线程安全实现类。
3.1 Collections.synchronizedList
Collections.synchronizedList的源码可知,其实现线程安全的方式是建立了list的包装类,代码如下:
public static <T> List<T> synchronizedList(List<T> list) { return (list instanceof RandomAccess ? new SynchronizedRandomAccessList<T>(list) : new SynchronizedList<T>(list));//根据不同的list类型最终实现不同的包装类。 }其中,SynchronizedList对部分操作加上了synchronized关键字以保证线程安全。但其iterator()操作还不是线程安全的。部分SynchronizedList的代码如下:
public E get(int index) { synchronized(mutex) {return list.get(index);} } public E set(int index, E element) { synchronized(mutex) {return list.set(index, element);} } public void add(int index, E element) { synchronized(mutex) {list.add(index, element);} } public ListIterator<E> listIterator() { return list.listIterator(); // Must be manually synched by user 需要用户保证同步,否则仍然可能抛出ConcurrentModificationException } public ListIterator<E> listIterator(int index) { return list.listIterator(index); // Must be manually synched by user <span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif;">需要用户保证同步,否则仍然可能抛出ConcurrentModificationException</span> }
3.2 CopyOnWriteArrayList
从字面可以知道,CopyOnWriteArrayList在线程对其进行些操作的时候,会拷贝一个新的数组以存放新的字段。其写操作的代码如下:
/** The lock protecting all mutators */ transient final ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); /** The array, accessed only via getArray/setArray. */ private volatile transient Object[] array;//保证了线程的可见性 public boolean add(E e) { final ReentrantLock lock = this.lock;//ReentrantLock 保证了线程的可见性和顺序性,即保证了多线程安全。 lock.lock(); try { Object[] elements = getArray(); int len = elements.length; Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);//在原先数组基础之上新建长度+1的数组,并将原先数组当中的内容拷贝到新数组当中。 newElements[len] = e;//设值 setArray(newElements);//对新数组进行赋值 return true; } finally { lock.unlock(); } }其读操作代码如下:
public E get(int index) { return (E)(getArray()[index]); }其没有加任何同步关键字,根据以上写操作的代码可知,其每次写操作都会进行一次数组复制操作,然后对新复制的数组进行些操作,不可能存在在同时又读写操作在同一个数组上( 不是同一个对象),而读操作并没有对数组修改,不会产生线程安全问题。Java中两个不同的引用指向同一个对象,当第一个引用指向另外一个对象时,第二个引用还将保持原来的对象。
其中setArray()操作仅仅是对array进行引用赋值。Java中“=”操作只是将引用和某个对象关联,假如同时有一个线程将引用指向另外一个对象,一个线程获取这个引用指向的对象,那么他们之间不会发生ConcurrentModificationException,他们是在虚拟机层面阻塞的,而且速度非常快,是一个原子操作,几乎不需要CPU时间。
在列表有更新时直接将原有的列表复制一份,并再新的列表上进行更新操作,完成后再将引用移到新的列表上。旧列表如果仍在使用中(比如遍历)则继续有效。如此一来就不会出现修改了正在使用的对象的情况(读和写分别发生在两个对象上),同时读操作也不必等待写操作的完成,免去了锁的使用加快了读取速度。
3.3 Collections.synchronizedList & CopyOnWriteArrayList在读写操作上的差距
测试代码:
package com.yang.test; import org.junit.Test; import java.util.*; import java.util.concurrent.*; /** * Created with IntelliJ IDEA. * User: yangzl2008 * Date: 14-9-18 * Time: 下午8:36 * To change this template use File | Settings | File Templates. */ public class Test02 { private int NUM = 10000; private int THREAD_COUNT = 16; @Test public void testAdd() throws Exception { List<Integer> list1 = new CopyOnWriteArrayList<Integer>(); List<Integer> list2 = Collections.synchronizedList(new ArrayList<Integer>()); Vector<Integer> v = new Vector<Integer>(); CountDownLatch add_countDownLatch = new CountDownLatch(THREAD_COUNT); ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_COUNT); int add_copyCostTime = 0; int add_synchCostTime = 0; for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) { add_copyCostTime += executor.submit(new AddTestTask(list1, add_countDownLatch)).get(); } System.out.println("CopyOnWriteArrayList add method cost time is " + add_copyCostTime); for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) { add_synchCostTime += executor.submit(new AddTestTask(list2, add_countDownLatch)).get(); } System.out.println("Collections.synchronizedList add method cost time is " + add_synchCostTime); } @Test public void testGet() throws Exception { List<Integer> list = initList(); List<Integer> list1 = new CopyOnWriteArrayList<Integer>(list); List<Integer> list2 = Collections.synchronizedList(list); int get_copyCostTime = 0; int get_synchCostTime = 0; ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_COUNT); CountDownLatch get_countDownLatch = new CountDownLatch(THREAD_COUNT); for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) { get_copyCostTime += executor.submit(new GetTestTask(list1, get_countDownLatch)).get(); } System.out.println("CopyOnWriteArrayList add method cost time is " + get_copyCostTime); for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) { get_synchCostTime += executor.submit(new GetTestTask(list2, get_countDownLatch)).get(); } System.out.println("Collections.synchronizedList add method cost time is " + get_synchCostTime); } private List<Integer> initList() { List<Integer> list = new ArrayList<Integer>(); int num = new Random().nextInt(1000); for (int i = 0; i < NUM; i++) { list.add(num); } return list; } class AddTestTask implements Callable<Integer> { List<Integer> list; CountDownLatch countDownLatch; AddTestTask(List<Integer> list, CountDownLatch countDownLatch) { this.list = list; this.countDownLatch = countDownLatch; } @Override public Integer call() throws Exception { int num = new Random().nextInt(1000); long start = System.currentTimeMillis(); for (int i = 0; i < NUM; i++) { list.add(num); } long end = System.currentTimeMillis(); countDownLatch.countDown(); return (int) (end - start); } } class GetTestTask implements Callable<Integer> { List<Integer> list; CountDownLatch countDownLatch; GetTestTask(List<Integer> list, CountDownLatch countDownLatch) { this.list = list; this.countDownLatch = countDownLatch; } @Override public Integer call() throws Exception { int pos = new Random().nextInt(NUM); long start = System.currentTimeMillis(); for (int i = 0; i < NUM; i++) { list.get(pos); } long end = System.currentTimeMillis(); countDownLatch.countDown(); return (int) (end - start); } } }操作结果:
写操作 | 读操作 | |||
CopyOnWriteArrayList | Collections. synchronizedList |
CopyOnWriteArrayList | Collections. synchronizedList |
|
2 | 567 | 2 | 1 | 1 |
4 | 3088 | 3 | 2 | 2 |
8 | 25975 | 28 | 2 | 3 |
16 | 295936 | 44 | 2 | 6 |
32 | - | - | 3 | 8 |
64 | - | - | 7 | 21 |
128 | - | - | 9 | 38 |
读操作:在多线程进行读时,Collections.synchronizedList和CopyOnWriteArrayList均有性能的降低,但是Collections.synchronizedList的性能降低更加显著。
4 结论
CopyOnWriteArrayList,发生修改时候做copy,新老版本分离,保证读的高性能,适用于以读为主,读操作远远大于写操作的场景中使用,比如缓存。而Collections.synchronizedList则可以用在CopyOnWriteArrayList不适用,但是有需要同步列表的地方,
读写操作都比较均匀的地方。