Java中线程安全的集合

集合操作Demo

不安全演示线程集合演示

import java.util.ArrayList; 
import java.util.List; 
import java.util.UUID; 
 
/** 
集合线程安全案例 
*/ 
public class NotSafeDemo { 
 
   /** 
    多个线程同时对集合进行修改 
    */ 
   public static void main(String[] args) { 
       List list = new ArrayList(); 
 
       for (int i = 0; i < 10; i++) {
           new Thread(() ->{ 
               list.add(UUID.randomUUID().toString()); 
               System.out.println(list); 
          }, "线程" + i).start(); 
      } 
  } 
} 

异常内容

java.util.ConcurrentModificationException

问题: 为什么会出现并发修改异常?

查看 ArrayList 的 add 方法源码

/** 
● Appends the specified element to the end of this list. 
* 
● @param e element to be appended to this list 
● @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add}) 
*/ 
public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  
    // Increments modCount!! 
    elementData[size++] = e;    
    return true; 
} 

那么我们如何去解决 List 类型的线程安全问题?

Vector

Vector 是 矢量队列，它是 JDK1.0 版本添加的类。继承于 AbstractList，实现了 List, RandomAccess, Cloneable 这些接口。

Vector 继承了 AbstractList，实现了 List；所以，它是一个队列，支持相关的添加、删除、修改、遍历等功能。

Vector 实现了 RandmoAccess 接口，即 提供了随机访问功能。 RandmoAccess 是 java 中用来被 List 实现，为 List 提供快速访问功能的。在 Vector 中，我们即可以通过元素的序号快速获取元素对象；这就是快速随机访问。 Vector 实现了 Cloneable 接口，即实现 clone()函数。它能被克隆。

和 ArrayList 不同，Vector 中的操作是线程安全的。

NotSafeDemo 代码修改

/** 
集合线程安全案例 
*/ 
public class NotSafeDemo { 
 
   /** 
    多个线程同时对集合进行修改 
    */ 
   public static void main(String[] args) { 
       List list = new Vector(); 
 
       for (int i = 0; i < 10; i++) {
           new Thread(() ->{ 
               list.add(UUID.randomUUID().toString()); 
               System.out.println(list); 
          }, "线程" + i).start(); 
      } 
  } 
} 

现在没有运行出现并发异常,为什么? 查看 Vector 的 add 方法

/** 
● Appends the specified element to the end of this Vector. 
* 
● @param e element to be appended to this Vector 
● @return {@code true} (as specified by {@link Collection#add}) 
● @since 1.2 
*/ 
public synchronized boolean add(E e) {
    modCount++;    
    ensureCapacityHelper(elementCount + 1);    
    elementData[elementCount++] = e;
    return true; 
} 

add 方法被 synchronized 同步修辞,线程安全! 因此没有并发异常

Collections

Collections 提供了方法 synchronizedList 保证 list 是同步线程安全的 NotSafeDemo 代码修改

import java.util.*; 
 
/** 
● 集合线程安全案例 
*/ 
public class NotSafeDemo { 
 
   /** 
    ● 多个线程同时对集合进行修改
    */ 
   public static void main(String[] args) { 
       List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
       for (int i = 0; i < 100; i++) {
           new Thread(() ->{ 
               list.add(UUID.randomUUID().toString()); 
               System.out.println(list); 
          }, "线程" + i).start(); 
      } 
  } 
} 

没有并发修改异常查看方法源码

public static <T> List<T> synchronizedList(List<T> list) {
    return (list instanceof RandomAccess ? new SynchronizedRandomAccessList<>(list) : 
           new SynchronizedList<>(list)); 
} 

CopyOnWriteArrayList(重点)

CopyOnWriteArrayList 其特点如下:

它相当于线程安全的 ArrayList。和 ArrayList 一样，它是个可变数组；但是和ArrayList 不同的时，它具有以下特性：

1. 它最适合于具有以下特征的应用程序：List 大小通常保持很小，只读操作远多于可变操作，需要在遍历期间防止线程间的冲突。
2. 它是线程安全的。
3. 因为通常需要复制整个基础数组，所以可变操作（add()、set() 和 remove() 等等）的开销很大。
4. 迭代器支持 hasNext(), next()等不可变操作，但不支持可变 remove()等操作。
5. 使用迭代器进行遍历的速度很快，并且不会与其他线程发生冲突。在构造迭代器时，迭代器依赖于不变的数组快照。
   1. 独占锁效率低：采用读写分离思想解决
   2. 写线程获取到锁，其他写线程阻塞
   3. 写时复制思想：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，然后往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。

这时候会抛出来一个新的问题，也就是数据不一致的问题。如果写线程还没来得及写会内存，其他的线程就会读到了脏数据。

这就是 CopyOnWriteArrayList 的思想和原理。就是拷贝一份。

NotSafeDemo 代码修改

import java.util.*;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList; 
 
/** 
● 集合线程安全案例 
*/ 
public class NotSafeDemo { 
 
   /** 
    多个线程同时对集合进行修改 
    */ 
   public static void main(String[] args) {
       List list = new CopyOnWriteArrayList();
       for (int i = 0; i < 100; i++) {
           new Thread(() ->{ 
               list.add(UUID.randomUUID().toString()); 
               System.out.println(list); 
          }, "线程" + i).start(); 
      } 
  } 
} 

没有线程安全问题

原因分析(重点): 动态数组与线程安全

下面从“动态数组”和“线程安全”两个方面进一步对

CopyOnWriteArrayList 的原理进行说明。

• “动态数组”机制

o 它内部有个“volatile 数组”(array)来保持数据。在“添加/修改/删除”数据时，都会新建一个数组，并将更新后的数据拷贝到新建的数组中，最后再将该数组赋值给“volatile 数组”, 这就是它叫做 CopyOnWriteArrayList 的原因 o 由于它在“添加/修改/删除”数据时，都会新建数组，所以涉及到修改数据的操作，CopyOnWriteArrayList 效率很低；但是单单只是进行遍历查找的话，效率比较高。

• “线程安全”机制

• 通过 volatile 和互斥锁来实现的。
• 通过“volatile 数组”来保存数据的。一个线程读取 volatile 数组时，总能看到其它线程对该 volatile 变量最后的写入；就这样，通过 volatile 提供了“读取到的数据总是最新的”这个机制的保证。
• 通过互斥锁来保护数据。在“添加/修改/删除”数据时，会先“获取互斥锁”，再修改完毕之后，先将数据更新到“volatile 数组”中，然后再“释放互斥锁”，就达到了保护数据的目的。

小结(重点)

1.线程安全与线程不安全集合

集合类型中存在线程安全与线程不安全的两种,常见例如:

ArrayList ----- Vector（通过 synchronized 关键字实现, 效率较低 ）

HashMap -----HashTable (通过 synchronized 关键字实现, 效率较低 ）

HashMap ----- ConcurrentHashMap（分段锁）

2.Collections 构建的线程安全集合

3. java.util.concurrent 并发包下

CopyOnWriteArrayList，CopyOnWriteArraySet 类型, 通过动态数组与线程安全个方面保证线程安全 。