集合操作 Demo

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public class NotSafeDemo {

    /**
     * 多个线程同时对集合进行修改
     * @param args
     */
    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，线程不安全

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/**
 * 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

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。

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public class NotSafeDemo {

    /**
     * 多个线程同时对集合进行修改
     * @param args
     */
    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

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/**
 * 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，但是 synchronized 的效率低，很少使用

Collections

Collections 提供了方法 synchronizedList 保证 list 是同步线程安全的

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public class NotSafeDemo {

    /**
     * 多个线程同时对集合进行修改
     * @param args
     */
    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

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/**
 * Returns a synchronized (thread-safe) list backed by the specified
 * list.  In order to guarantee serial access, it is critical that
 * <strong>all</strong> access to the backing list is accomplished
 * through the returned list.<p>
 *
 * It is imperative that the user manually synchronize on the returned
 * list when iterating over it:
 * <pre>
 *  List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList());
 *      ...
 *  synchronized (list) {
 *      Iterator i = list.iterator(); // Must be in synchronized block
 *      while (i.hasNext())
 *          foo(i.next());
 *  }
 * </pre>
 * Failure to follow this advice may result in non-deterministic behavior.
 *
 * <p>The returned list will be serializable if the specified list is
 * serializable.
 *
 * @param  <T> the class of the objects in the list
 * @param  list the list to be "wrapped" in a synchronized list.
 * @return a synchronized view of the specified list.
 */
public static <T> List<T> synchronizedList(List<T> list) {
    return (list instanceof RandomAccess ?
            new SynchronizedRandomAccessList<>(list) :
            new SynchronizedList<>(list));
}

Collections 构建的线程安全集合

CopyOnWriteArrayList

首先我们对 CopyOnWriteArrayList 进行学习,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. 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。

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public class NotSafeDemo {

    /**
     * 多个线程同时对集合进行修改
     * @param args
     */
    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();
        }
    }
}

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

    • 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
    • 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。

总结

List

ArrayList不是线程安全类，在多线程同时写的情况下，会抛出java.util.ConcurrentModificationException异常。

解决方法：

  1. 使用Vector（ArrayList所有方法加synchronized，太重）
  2. 使用Collections.synchronizedList()转换成线程安全类
  3. 使用java.concurrent.CopyOnWriteArrayList（推荐）

Set

跟 List 类似，HashSet和TreeSet都不是线程安全的，与之对应的有CopyOnWriteSet这个线程安全类。这个类底层维护了一个CopyOnWriteArrayList数组。

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

Map

HashMap 不是线程安全的，Hashtable 是线程安全的，但是跟 Vector 类似，底层通过 synchronized 关键字实现，效率太低。所以也有类似 CopyOnWriteMap，只不过叫 ConcurrentHashMap。

HashSet 和 HashMap

HashSet 线程不安全，为什么不安全？CopyOnWriteArraySet 为什么安全？

HashSet线程不安全，不安全的原因是因为HashMap不是线程安全的。HashSet底层是用HashMap实现的，既然是用HashMap实现的，那HashMap.put()需要传两个参数，而HashSet.add()只传一个参数，这是为什么？

实际上HashSet.add()就是调用的HashMap.put()，只不过 Value 被写死了，是一个 private static final Object 对象。

CopyOnWriteArraySet线程安全，底层使用的是CopyOnWriteArraySet