【JUC并发编程05】集合的线程安全

本文主要是介绍【JUC并发编程05】集合的线程安全，对大家解决编程问题具有一定的参考价值，需要的程序猿们随着小编来一起学习吧！

文章目录

• • 5 集合的线程安全
  • • 5.1 集合线程不安全演示
    • 5.2 解决方案-Vector
    • 5.3 解决方案-Collections
    • 5.4 解决方案-CopyOnWriteArrayList
    • 5.5 对上述三种方式的总结
    • 5.6 HashSet的线程不安全
    • 5.7 HashMap的线程不安全

5 集合的线程安全

5.1 集合线程不安全演示

在学习集合线程安全之前，先来看一下为什么在多线程中会出现不安全。

以 ArrayList 为例，我们进入 ArrayList 源码，找到 add() 方法，源码如下

public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

显然，add() 方法没有使用同步互斥，所以在多线程并发是，会出现线程异常，测试代码如下

public class SetUnsefertyTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建ArrayList 集合
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();

        // 创建10个线程，往 list 中添加元素
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(()->{
                // 向集合中添加内容
                list.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0,8));
                // 从集合中取出内容
                System.out.println(list);
            },String.valueOf(i)).start();
        }
    }
}

会出现如下异常

解决该方法主要有三种，即使用这三个类：Vector、Collections、CopyOnWriteArrayList（常用）

5.2 解决方案-Vector

进入在Vector的底层实现，找到 add() 方法是线程安全的，源代码如下，可以发现 Vector 将 add() 加上同步关键字了

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

但是 Vector 用的不多，因为每次对添加的元素上锁，而且使用的是重量级锁synchronized是十分占用资源的，效率是十分低下的。其用法和 ArrayList 一样。

5.3 解决方案-Collections

进入 Collections 的底层，找到 synchronizedList(List list) 方法，源代码如下，synchronizedList(List list) 方法返回指定列表支持的同步（线程安全的）列表

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

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

对 Collections 的使用如下

List<String> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());

5.4 解决方案-CopyOnWriteArrayList

这种方法用的最多。

CopyOnWriteArrayList涉及的底层原理为 写时复制技术

• 读的时候并发（多个线程操作）
• 写的时候独立，先复制相同的空间到某个区域，将其写到新区域，旧新合并，并且读新区域（每次加新内容都写到新区域，覆盖合并之前旧区域，读取新区域添加的内容）

进入 CopyOnWriteArrayList 底层，来看一下它是怎么实现的，其 add() 源代码如下

public boolean add(E e) {
    // 声明一个重进入锁
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 上锁
    lock.lock();
    try {
        // 获取原来的列表
        Object[] elements = getArray();
        // 获取原来列表的长度
        int len = elements.length;
        // 复制一个与原来的列表一样的列表
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        // 将新加入的元素放到列表末尾
        newElements[len] = e;
        // 旧新合并
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        // 解锁
        lock.unlock();
    }
}

对 CopyOnWriteArrayList 的使用如下

List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();

5.5 对上述三种方式的总结

对比三者来看，Vector和Collections虽然也可以实现同步，但由于这两种方法在底层都使用了synchronized重量级锁，使其效率很低，所以对 ArrayList 的同步主要采用 CopyOnWriteArrayList

5.6 HashSet的线程不安全

HashSet 同时读写时也会出现 ConcurrentModificationException 异常

进入 HashSet 底层，来看一下它是怎么实现的，其 add() 源代码如下

public boolean add(E e) {
    return map.put(e, PRESENT)==null;
}

显然，他的问题和 ArrayList 一样，没有对 add(E e) 方法做同步处理

其解决方法与 CopyOnWriteArrayList 类似，在 JDK1.8 中，也有一个类叫做 CopyOnWriteArraySet ，其底层代码如下

public boolean add(E e) {
    // private final CopyOnWriteArrayList<E> al;
    return al.addIfAbsent(e);
}

通过 Debug 找到了对关键的一个函数，发现其实现方式与 CopyOnWriteArrayList 底层实现方式类似

// e 表示添加的元素
// snapshot 表示被复制的列表
private boolean addIfAbsent(E e, Object[] snapshot) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        // 获取当前列表和列表长度
        Object[] current = getArray();
        int len = current.length;
        // 如果现在的列表和之前的列表不同，其实显然是不同的
        if (snapshot != current) {
            // Optimize for lost race to another addXXX operation
            // 取较小的长度列表
            int common = Math.min(snapshot.length, len);
            for (int i = 0; i < common; i++)
                if (current[i] != snapshot[i] && eq(e, current[i]))
                    return false;
            if (indexOf(e, current, common, len) >= 0)
                return false;
        }
        // 后面就是将其写到新区域，旧新合并
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(current, len + 1);
        newElements[len] = e;
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

对 CopyOnWriteArraySet 的使用如下

CopyOnWriteArraySet<String> list = new CopyOnWriteArraySet<>();

5.7 HashMap的线程不安全

HashMap 同时读写时一样会出现 ConcurrentModificationException 异常

进入 HashMap 底层，来看一下它是怎么实现的，其 put(K key, V value) 源代码如下

public V put(K key, V value) {
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

在 JDK1.8 中，也有一个类叫做 ConcurrentHashMap ，实现 HashMap 的同步问题，其底层代码如下

final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
    if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
    int hash = spread(key.hashCode());
    int binCount = 0;
    for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
        Node<K,V> f; int n, i, fh;
        // 若为空，就初始化
        if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
            tab = initTable();
        // 计算hash值，得到下标
        else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
            // 传入参数
            if (casTabAt(tab, i, null,
                         new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
                break;                   // no lock when adding to empty bin
        }
        // 当有两个及以上的线程正在扩容
        else if ((fh = f.hash) == MOVED)
            tab = helpTransfer(tab, f);
        else {
            V oldVal = null;
            // 在这里加上了锁
            synchronized (f) {
                if (tabAt(tab, i) == f) {
                    if (fh >= 0) {
                        binCount = 1;
                        for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
                            K ek;
                            if (e.hash == hash &&
                                ((ek = e.key) == key ||
                                 (ek != null && key.equals(ek)))) {
                                oldVal = e.val;
                                if (!onlyIfAbsent)
                                    e.val = value;
                                break;
                            }
                            Node<K,V> pred = e;
                            if ((e = e.next) == null) {
                                pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
                                                          value, null);
                                break;
                            }
                        }
                    }
                    else if (f instanceof TreeBin) {
                        Node<K,V> p;
                        binCount = 2;
                        if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,
                                                              value)) != null) {
                            oldVal = p.val;
                            if (!onlyIfAbsent)
                                p.val = value;
                        }
                    }
                }
            }
            if (binCount != 0) {
                if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                    treeifyBin(tab, i);
                if (oldVal != null)
                    return oldVal;
                break;
            }
        }
    }
    addCount(1L, binCount);
    return null;
}

对 ConcurrentHashMap 的使用如下

ConcurrentHashMap<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();

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