集合的线程安全解读

简介: 集合的线程安全解读

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。


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