Collections.synchronizedList 、CopyOnWriteArrayList、Vector介绍、源码浅析与性能对比【文末福利】

时间  2020-02-02
标签 collections.synchronizedlist collections synchronizedlist copyonwritearraylist vector 介绍 源码 浅析 性能 对比 栏目 Java 繁體版
原文   原文链接

ArrayList线程安全问题

众所周知，ArrayList不是线程安全的，在并发场景使用ArrayList可能会致使add内容为null,迭代时并发修改list内容抛ConcurrentModificationException异常等问题。java类库里面提供了如下三个轮子能够实现线程安全的List，它们是html

  • Vector
  • Collections.synchronizedList
  • CopyOnWriteArrayList

本文简要的分析了下它们线程安全的实现机制并对它们的读，写，迭代性能进行了对比。java

Vector

从JDK1.0开始，Vector便存在JDK中，Vector是一个线程安全的列表，底层采用数组实现。其线程安全的实现方式很是粗暴：Vector大部分方法和ArrayList都是相同的，只是加上了synchronized关键字，这种方式严重影响效率，所以，再也不推荐使用Vector了。JAVA官方文档中这样描述：面试

If a thread-safe implementation is not needed, it is recommended to use ArrayList in place of Vector.数据库

若是不须要线程安全性，推荐使用ArrayList替代Vector编程

关键源码以下：后端

public synchronized boolean add(E e) {
    modCount++;
    ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
    elementData[elementCount++] = e;
    return true;
}

public synchronized boolean add(E e) {
    modCount++;
    ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
    elementData[elementCount++] = e;
    return true;
}

public synchronized Iterator<E> iterator() {
    return new Itr();
}    

复制代码

能够看到Vector经过在方法级别上加入了synchronized关键字实现线程安全性。设计模式

Collections.synchronizedList

由于ArrayList不是线程安全的，JDK提供了一个Collections.synchronizedList静态方法将一个非线程安全的List(并不只限ArrayList)包装为线程安全的List。使用方式以下：数组

List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList());
复制代码

根据文档，转换包装后的list能够实现add，remove，get等操做的线程安全性，可是对于迭代操做，Collections.synchronizedList并无提供相关机制，因此迭代时须要对包装后的list（敲黑板，必须对包装后的list进行加锁，锁其余的不行）进行手动加锁，使用方式以下：缓存

List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList());
//必须对list进行加锁
synchronized (list) {
  Iterator i = list.iterator();
  while (i.hasNext())
      foo(i.next());
}
复制代码

这个地方要注意两个地方：安全

  1. 迭代操做必须加锁，可使用synchronized关键字修饰;
  2. synchronized持有的监视器对象必须是synchronized (list),即包装后的list,使用其余对象如synchronized (new Object())会使add,remove等方法与迭代方法使用的锁不一致，没法实现彻底的线程安全性。

经过源码可知Collections.synchronizedList生成了特定同步的SynchronizedCollection，生成的集合每一个同步操做都是持有mutex这个锁，因此再进行操做时就是线程安全的集合了。关键地方已经加了注释：

public static <T> List<T> synchronizedList(List<T> list) {
    return (list instanceof RandomAccess ?
            //ArrayList使用了SynchronizedRandomAccessList类
            new SynchronizedRandomAccessList<>(list) :
            new SynchronizedList<>(list));
}
//SynchronizedRandomAccessList继承自SynchronizedList
static class SynchronizedRandomAccessList<E> extends SynchronizedList<E> implements RandomAccess {
}

//SynchronizedList对代码块进行了synchronized修饰来实现线程安全性
static class SynchronizedList<E> extends SynchronizedCollection<E> implements List<E> {
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 E remove(int index) {
        synchronized (mutex) {return list.remove(index);}
    }   
    
    //迭代操做并未加锁，因此须要手动同步
    public ListIterator<E> listIterator() {
            return list.listIterator(); 
    }
}

复制代码

CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList是java.util.concurrent包下面的一个实现线程安全的List,顾名思义， Copy~On~Write~ArrayList在进行写操做(add,remove,set等)时会进行Copy操做，能够推测出在进行写操做时CopyOnWriteArrayList性能应该不会很高。

先看一下 CopyOnWriteArrayList 的结构：

public class CopyOnWriteArrayList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 8673264195747942595L;

    /** The lock protecting all mutators */
    final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    /** The array, accessed only via getArray/setArray. */
    private transient volatile Object[] array;
    
    /** * Creates an empty list. */
    public CopyOnWriteArrayList() {
        setArray(new Object[0]);
    }
}
复制代码

能够看到CopyOnWriteArrayList底层实现为Object[] array数组。

添加元素：

public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        newElements[len] = e;
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}
复制代码

能够看到每次添加元素时都会进行Arrays.copyOf操做，代价很是昂贵。

读的时候是不须要加锁的，直接获取。删除和增长是须要加锁的。

有两点必须讲一下。我认为CopyOnWriteArrayList这个并发组件，其实反映的是两个十分重要的分布式理念：

（1）读写分离

咱们读取CopyOnWriteArrayList的时候读取的是CopyOnWriteArrayList中的Object[] array，可是修改的时候，操做的是一个新的Object[] array，读和写操做的不是同一个对象，这就是读写分离。这种技术数据库用的很是多，在高并发下为了缓解数据库的压力，即便作了缓存也要对数据库作读写分离，读的时候使用读库，写的时候使用写库，而后读库、写库之间进行必定的同步，这样就避免同一个库上读、写的IO操做太多。

（2）最终一致

对CopyOnWriteArrayList来讲，线程1读取集合里面的数据，未必是最新的数据。由于线程二、线程三、线程4四个线程都修改了CopyOnWriteArrayList里面的数据，可是线程1拿到的仍是最老的那个Object[] array，新添加进去的数据并无，因此线程1读取的内容未必准确。不过这些数据虽然对于线程1是不一致的，可是对于以后的线程必定是一致的，它们拿到的Object[] array必定是三个线程都操做完毕以后的Object array[]，这就是最终一致。最终一致对于分布式系统也很是重要，它经过容忍必定时间的数据不一致，提高整个分布式系统的可用性与分区容错性。固然，最终一致并非任何场景都适用的，像火车站售票这种系统用户对于数据的实时性要求很是很是高，就必须作成强一致性的。

性能对比

经过前面的分析可知

  • Vector对全部操做进行了synchronized关键字修饰，性能应该比较差
  • CopyOnWriteArrayList在写操做时须要进行copy操做，读性能较好，写性能较差
  • Collections.synchronizedList性能较均衡，可是迭代操做并未加锁，因此须要时须要额外注意

下面写了个测试程序对三者的读，写，遍历进程了测试来验证下，测试机器信息以下：

操做系统:macOS High Sierra 10.13.6
CPU:2.8 GHz Intel Core i7
内存：16 GB 2133 MHz LPDDR3
复制代码

测试代码：

**
 * 比较Vector，Collections.synchronizedList，CopyOnWriteArrayList读操做，写操做，遍历操做性能
 *
 * @author nauyus
 * @date 2020年01月29日
 */
public class ListPerformanceTest {

    /** * 并发数 */
    public final static int THREAD_COUNT = 64;
    /** * list大小 */
    public final static int SIZE = 10000;

    /** * 测试读性能 * * @throws Exception */
    @Test
    public void testGet() throws Exception {
        List<Integer> list = initList();
        List<Integer> copyOnWriteArrayList = new CopyOnWriteArrayList<>(list);
        List<Integer> synchronizedList = Collections.synchronizedList(list);
        Vector vector = new Vector(list);

        int copyOnWriteArrayListTime = 0;
        int synchronizedListTime = 0;
        int vectorTime = 0;
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_COUNT);
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(THREAD_COUNT);

        for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
            copyOnWriteArrayListTime += executor.submit(new GetTestTask(copyOnWriteArrayList, countDownLatch)).get();
        }
        System.out.println("CopyOnWriteArrayList get method cost time is " + copyOnWriteArrayListTime);

        for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
            synchronizedListTime += executor.submit(new GetTestTask(synchronizedList, countDownLatch)).get();
        }
        System.out.println("Collections.synchronizedList get method cost time is " + synchronizedListTime);

        for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
            vectorTime += executor.submit(new GetTestTask(vector, countDownLatch)).get();
        }
        System.out.println("vector get method cost time is " + vectorTime);
    }

    private List<Integer> initList() {
        List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
        for (int i = 0; i < SIZE; i++) {
            list.add(new Random().nextInt(1000));
        }
        return list;
    }
    
    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() {
            int pos = new Random().nextInt(SIZE);
            long start = System.currentTimeMillis();
            for (int i = 0; i < SIZE; i++) {
                list.get(pos);
            }
            long end = System.currentTimeMillis();
            countDownLatch.countDown();
            return (int) (end - start);
        }
    }
复制代码

完整版代码能够点击阅读原文或公众号内回复文章编号010获取

测试结果：

能够看到随着线程数的增长，三个类操做时间都有所增长，Vector的遍历操做和CopyOnWriteArrayList的写操做（图片中标红的部分）性能消耗尤为严重。出乎意料的是Vector的读写操做和Collections.synchronizedList比起来并无什么差异（印象中Vector性能不好，实际性能差的只是遍历操做，看来仍是纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行啊），仔细分析了下代码，虽然Vector使用synchronized修饰方法，Collections.synchronizedList使用synchronized修饰语句块，但实际锁住内容并无什么区别，性能类似也在情理之中。

总结

  1. CopyOnWriteArrayList的写操做与Vector的遍历操做性能消耗尤为严重，不推荐使用。

  2. CopyOnWriteArrayList适用于读操做远远多于写操做的场景。

  3. Vector读写性能能够和Collections.synchronizedList比肩，但Collections.synchronizedList不只能够包装ArrayList,也能够包装其余List,扩展性和兼容性更好。

参考资料：

Java集合：CopyOnWriteArrayList与SynchronizedList

SynchronizedList和Vector的区别

感谢阅读，若有收获，求点赞、求关注让更多人看到这篇文章，本文首发于不止于技术的技术公众号 Nauyus ，欢迎识别下方二维码获取更多内容,主要分享JAVA，微服务，编程语言，架构设计，思惟认知类等原创技术干货，2019年12月起开启周更模式，欢迎关注，与Nauyus一块儿学习。

福利一：后端开发视频教程

这些年整理的几十套JAVA后端开发视频教程，包含微服务，分布式，Spring Boot,Spring Cloud,设计模式，缓存，JVM调优，MYSQL，大型分布式电商项目实战等多种内容，关注Nauyus当即回复【视频教程】无套路获取。

福利二：面试题打包下载

这些年整理的面试题资源汇总，包含求职指南，面试技巧，微软，华为，阿里，百度等多家企业面试题汇总。 本部分还在持续整理中，能够持续关注。当即关注Nauyus回复【面试题】无套路获取。

相关文章
相关标签/搜索
每日一句
    每一个你不满意的现在，都有一个你没有努力的曾经。
本站公众号
   欢迎关注本站公众号,获取更多信息
联系我们 最近搜索 最新文章 沪ICP备13005482号-10 MyBatis教程 SQL 教程 MySQL教程 Java 教程 Thymeleaf 教程 Hibernate教程 Spring教程 Redis教程