集合操作 Demo
NotSafeDemo
1. public class NotSafeDemo { 2. 3. /** 4. * 多个线程同时对集合进行修改 5. * @param args 6. */ 7. public static void main(String[] args) { 8. List list = new ArrayList(); 9. 10. for (int i = 0; i < 100; i++) { 11. new Thread(() ->{ 12. list.add(UUID.randomUUID().toString()); 13. System.out.println(list); 14. }, "线程" + i).start(); 15. } 16. } 17. }
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
1. /** 2. 3. * Appends the specified element to the end of this list. 4. * @param e element to be appended to this list 5. * @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add}) 6. */ 7. 8. public boolean add(E e) { 9. ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! 10. elementData[size++] = e; 11. return true; 12. }
ConcurrentModificationException异常通常意味着多个线程并发访问了同一个集合,并且有一个线程正在迭代该集合的时候,另一个线程修改了集合的结构,导致迭代器的迭代状态发生了不一致的情况,因此抛出了ConcurrentModificationException异常。
在ArrayList中,迭代器使用一个内部变量modCount来判断集合是否被修改过,而modCount的值会在每次添加或删除元素时递增。当多个线程并发执行ArrayList的add操作时,有可能会导致modCount值和迭代器的迭代状态不一致。当一个线程正在迭代ArrayList时,另一个线程修改了ArrayList的结构,这会导致modCount的值发生改变,而此时迭代器的迭代状态还是基于之前的modCount值,最终导致迭代器抛出ConcurrentModificationException异常。
==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。==
1. public class NotSafeDemo { 2. 3. /** 4. * 多个线程同时对集合进行修改 5. * 6. * @param args 7. */ 8. public static void main(String[] args) { 9. List list = new Vector(); 10. 11. for (int i = 0; i < 100; i++) { 12. new Thread(() -> { 13. list.add(UUID.randomUUID().toString()); 14. System.out.println(list); 15. }, "线程" + i).start(); 16. } 17. } 18. }
现在没有运行出现并发异常,为什么? 查看 Vector 的 add 方法
1. /** 2. 3. * Appends the specified element to the end of this Vector. 4. * @param e element to be appended to this Vector 5. * @return {@code true} (as specified by {@link Collection#add}) 6. * @since 1.2 7. */ 8. 9. public synchronized boolean add(E e) { 10. modCount++; 11. ensureCapacityHelper(elementCount + 1); 12. elementData[elementCount++] = e; 13. return true; 14. 15. }
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
1. public class NotSafeDemo { 2. 3. /** 4. * 多个线程同时对集合进行修改 5. * 6. * @param args 7. */ 8. public static void main(String[] args) { 9. List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>()); 10. for (int i = 0; i < 100; i++) { 11. new Thread(() -> { 12. list.add(UUID.randomUUID().toString()); 13. System.out.println(list); 14. }, "线程" + i).start(); 15. } 16. } 17. }
没有并发修改异常 查看方法源码
1. /** 2. 3. * Returns a synchronized (thread-safe) list backed by the specified 4. * list. In order to guarantee serial access, it is critical that 5. * <strong>all</strong> access to the backing list is accomplished 6. * through the returned list.<p> 7. * 8. * It is imperative that the user manually synchronize on the returned 9. * list when iterating over it: 10. * <pre> 11. * List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList()); 12. * ... 13. * synchronized (list) { 14. * Iterator i = list.iterator(); // Must be in synchronized block 15. * while (i.hasNext()) 16. * foo(i.next()); 17. * } 18. * </pre> 19. * Failure to follow this advice may result in non-deterministic behavior. 20. * 21. * <p>The returned list will be serializable if the specified list is 22. * serializable. 23. * 24. * @param <T> the class of the objects in the list 25. * @param list the list to be "wrapped" in a synchronized list. 26. * @return a synchronized view of the specified list. 27. */ 28. 29. public static <T> List<T> synchronizedList(List<T> list) { 30. return (list instanceof RandomAccess ? 31. new SynchronizedRandomAccessList<>(list) : 32. new SynchronizedList<>(list)); 33. }
CopyOnWriteArrayList(重点)
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
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。==
NotSafeDemo 代码修改
1. public class NotSafeDemo { 2. 3. /** 4. * 多个线程同时对集合进行修改 5. * @param args 6. */ 7. public static void main(String[] args) { 8. List list = new CopyOnWriteArrayList(); 9. for (int i = 0; i < 100; i++) { 10. new Thread(() ->{ 11. list.add(UUID.randomUUID().toString()); 12. System.out.println(list); 13. }, "线程" + i).start(); 14. } 15. } 16. }
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
o 通过 volatile 和互斥锁来实现的。
o 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。
o 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。