Java集合类不安全分析

贪挽懒月

发布于 2019-05-10 18:35:57

9060

发布于 2019-05-10 18:35:57

文章被收录于专栏：JavaEEJavaEE

我们平时编码时使用集合类，都是new 一个 ArrayList 或者 HashSet 或者 HashMap就直接开用，好像也没遇到啥问题。那这里为什么说集合不安全呢？下面一一道来。

一、集合不安全之List

1、故障现象： 先看下面一段代码：

 List<String> list = new ArrayList<>();
 for (int x = 0; x < 30; x ++){
        new Thread( () -> {
            list.add("哈哈");
        }).start();
 }
 System.out.println(list.toString());

这段代码很简单，就是创建30个线程，每个线程往list集合add元素，看似没啥问题，看代码的运行结果：

运行结果

运行抛异常了，这便是并发修改异常。

2、导致原因： 并发修改异常是因为线程并发争抢修改导致。举个例子：上课的时候老师拿了一份名单要点名，说来了的同学就上去签自己的名字。这份名单就是集合，每个同学就是一个线程。上去签名就是往集合中添加元素的add操作。当张三同学上去签名的时候，刚写完 “张” 字，李四同学就上来把笔抢了去，结果就是张三同学的名只签了一半。这就是并发修改异常。

3、解决方案：

第一种办法，可以使用线程安全的Vector类，它的方法都加了锁，可以保证线程安全。不过Vector现在很少人用，因为并发性不好。
第二种办法，使用Collections工具类。如下：

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

这个方法顾名思义，就是可以把ArrayList变成安全的。所以它也可以解决并发修改异常。

第三种办法，使用JUC包中的CopyOnWriteArrayList类。CopyOnWrite的意思是写时复制。看看如何使用它解决并发修改异常。

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

就是new 一个 CopyOnWriteArrayList就可以了。那么这个类为什么能保证线程安全呢？看一下它的源码：

 public boolean add(E e) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
            newElements[len] = e;
            setArray(newElements);
            return true;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
}

所谓写时复制，就是写的时候不是直接在原来的数组中写，而是先复制一份，写完后再引用这个新的。还是签名的例子：老师说同学们一个个地上来签名。张三上去了，把那份名单copy了一份，签上了自己的名字。在张三签名的过程中，其他同学还是可以读老师的那份名单的。当张三签完了，然后再告诉同学们，之前那份名单作废了，现在用这份新的。这就是整个过程，对应了上面的代码。首先用lock锁住这段代码，即张三签名过程中其他同学不能再来抢笔了；然后获取到原来的数组，定义一个新数组，长度为原来的数组加1，把原数组内容复制到新数组中，这是张三复制名单的过程；然后将要add的元素添加到新数组的最后，这就是张三写自己名字的过程；再后来将引用指向新数组，这是张三告诉大家用这份新名单的过程；最后释放锁，也就是张三把笔放下，下一个同学可以去签名了。这也就是读写分离的思想，写的时候复制原来的，写操作完成前，读数据还是读原来的，写完成后，读新的。

二、集合不安全之Set

在说Set不安全之前先简单地说一下HashSet底层是数据结构： HashSet底层是由HashMap实现的，HashMap的key就是set集合add的元素，而HashMap的value是一个Object类型的常量。

1、故障现象：

ist<String> set = new HashSet<>();
 for (int x = 0; x < 30; x ++){
        new Thread( () -> {
            set.add("哈哈");
        }).start();
 }
 System.out.println(set.toString());

把上面的ArrayList换成HashSet，一样会报并发修改异常。导致原因也是一样的，下面直接看看解决原因。

2、解决方案：

使用Collections工具类的synchronizedSet方法。
使用CopyOnWriteArraySet类。注意这个类，实际上还是CopyOnWriteArrayList类。看它构造方法的源码就可以知道了。构造方法如下：

 public CopyOnWriteArraySet() {
        al = new CopyOnWriteArrayList<E>();
 }

三、集合不安全之Map

Map集合同样会出现上述问题。很容易让人想到解决方案也是和上面一样，其实有点区别。首先，的确可以使用Collections工具类的synchronizedMap方法，其次，也可以使用HashTable。HashTable所有的方法都加了锁，所以可以保证安全。但是也正因它所有方法都加了锁，并发性不好，所以不推荐使用。第三种办法，可能会想到写时复制，其实java没有为map提供写时复制的类。我们可以使用ConcurrentHashMap，这个也是线程安全的，而且性能还不错。它是使用了CAS来保证安全性。我另一篇文章《Java源码解读---HashMap&ConcurrentHashMap》中有介绍，大家可以参考一下。

Collections.synchronizedXxx原理：上面说到解决List、Set、Map的安全问题都可以使用Collections工具类，那么它原理是什么呢？来看一下源码(拿synchronizedList来说明)：

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

首先它判断你new的集合有没有实现RandomAccess接口 (这个接口是一个标记接口，ArrayList就实现了这个接口。作用就是，如果实现了这个接口，那么就说明支持快速随机访问，如果支持快速随机方法，那么取元素的时候就用for循环，否则就用迭代器。这是因为，如果不支持快速随机访问，用迭代器获取元素效率会更高。ArrayList由数组实现，可以通过索引获取元素，显然是支持快速随机访问) 。然后 new SynchronizedRandomAccessList<>(list)；其实就是对传进去的list的方法加上了同步代码块，所以可以保证线程安全。它和Vector、HashTable的区别也就在于，它使用的是同步代码块，而后两者使用的是同步方法。