在Java多线程编程中,ConcurrentModificationException
是一个常见的异常,它不仅出现在多线程环境,也会在单线程环境中出现。本文将深入分析这个异常的产生原因、触发条件,并提供多种解决方案及其性能对比,帮助开发者在实际项目中做出最佳选择。
ConcurrentModificationException
是Java集合框架中的一个运行时异常,它在以下情况下会被抛出:
这个异常是Java集合框架的一种快速失败(fail-fast)机制,用于检测并发修改,防止程序在不确定状态下继续执行。
在我们的实际测试中,我们发现即使在单线程环境下,如果在遍历过程中直接修改集合,也会抛出此异常。例如:
List<String> fruits = new ArrayList<>();
fruits.add("香蕉");
fruits.add("西瓜");
try {
for (String fruit : fruits) {
if (fruit.equals("香蕉")) {
fruits.remove(fruit); // 这里会抛出ConcurrentModificationException
}
}
} catch (ConcurrentModificationException e) {
System.out.println("异常信息: " + e.getMessage());
}
在单线程环境下,以下代码会触发ConcurrentModificationException
:
List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("item1");
list.add("item2");
list.add("item3");
// 使用for-each循环(底层使用Iterator)
for (String item : list) {
if ("item2".equals(item)) {
list.remove(item); // 这里会抛出ConcurrentModificationException
}
}
为什么会抛出这个异常?让我们看看ArrayList的Iterator实现:
modCount
值(修改计数器)到expectedModCount
next()
方法时,会检查modCount
是否等于expectedModCount
ConcurrentModificationException
关键源码(简化版):
private class Itr implements Iterator<E> {
int expectedModCount = modCount;
public E next() {
checkForComodification();
// ...
}
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
在我们的测试中,我们还发现不仅List集合会出现这个问题,Map集合同样存在类似问题:
Map<String, String> caches = new HashMap<>();
caches.put("user@getAge@123@v1", "30");
caches.put("user@getAddress@456@v1", "New York");
String sameKeyPart = "user@get";
try {
Iterator<String> keys = caches.keySet().iterator();
while (keys.hasNext()) {
String key = keys.next();
System.out.println("当前键: " + key);
if (key.startsWith(sameKeyPart)) {
caches.remove(key); // 这里会抛出ConcurrentModificationException
}
}
} catch (ConcurrentModificationException e) {
System.out.println("捕获异常: " + e.getClass().getName());
}
Iterator<String> iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
String item = iterator.next();
if ("item2".equals(item)) {
iterator.remove(); // 正确的方式
}
}
在我们的测试代码中,我们验证了这种方法的有效性:
Map<String, String> caches = new HashMap<>();
caches.put("user@getName@123@v1", "John");
caches.put("user@getEmail@123@v1", "john@example.com");
String sameKeyPart = "user@get";
Iterator<String> keys = caches.keySet().iterator();
while (keys.hasNext()) {
String key = keys.next();
if (key.startsWith(sameKeyPart)) {
keys.remove(); // 使用Iterator的remove方法
System.out.println("已删除: " + key);
}
}
list.removeIf(item -> "item2".equals(item));
在我们的测试中,这种方法同样有效:
List<String> fruits = new ArrayList<>();
fruits.add("香蕉");
fruits.add("苹果");
fruits.add("橙子");
fruits.removeIf(fruit -> fruit.equals("香蕉"));
System.out.println("删除后: " + fruits);
多线程环境下,即使使用了Iterator的remove方法,仍然可能发生ConcurrentModificationException
,因为多个线程可能同时修改集合。
List<String> list = new ArrayList<>();
// 初始化列表...
// 线程1:遍历列表
new Thread(() -> {
Iterator<String> iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
try {
Thread.sleep(100); // 模拟耗时操作
String item = iterator.next(); // 可能抛出异常
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();
// 线程2:修改列表
new Thread(() -> {
try {
Thread.sleep(50);
list.add("newItem"); // 修改集合结构
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
在我们的实际测试中,我们创建了一个更完整的示例:
private static void demoMultiThreadWithArrayList() {
List<String> list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
list.add("Item " + i);
}
// 创建一个线程用于遍历列表
Thread readerThread = new Thread(() -> {
try {
System.out.println("读取线程开始遍历");
Iterator<String> iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
String item = iterator.next();
Thread.sleep(100); // 模拟处理时间
System.out.println("读取线程: " + item);
}
System.out.println("读取线程完成遍历");
} catch (ConcurrentModificationException e) {
System.out.println("读取线程捕获异常: " + e.getClass().getName());
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
});
// 创建一个线程用于修改列表
Thread writerThread = new Thread(() -> {
try {
Thread.sleep(300); // 等待读取线程开始
list.add("New Item"); // 添加新元素
System.out.println("修改线程添加了新元素");
Thread.sleep(100);
list.remove(0); // 删除元素
System.out.println("修改线程删除了元素");
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
});
writerThread.start();
readerThread.start();
try {
writerThread.join();
readerThread.join();
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
}
在多线程环境下,ArrayList等非线程安全集合存在以下问题:
解决方案 | 适用场景 | 优点 | 缺点 |
---|---|---|---|
Collections.synchronizedList | 读写频率相近 | 简单易用 | 性能较低,锁粒度大 |
CopyOnWriteArrayList | 读多写少 | 读取无锁,性能高 | 写入性能差,内存占用高 |
ConcurrentHashMap | 需要高并发Map | 分段锁,性能好 | 仅适用于Map |
CopiedIterator(自定义) | 读写分离场景 | 避免长时间锁定 | 额外内存开销 |
快照技术 | 一次性读取后修改 | 简单直观 | 不适合大数据量 |
Stream API | 函数式处理 | 代码简洁,可并行 | Java 8+才支持 |
在我们的测试中,我们对几种主要的解决方案进行了实际验证:
List<String> synchronizedList = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
// 需要注意的是,遍历时仍需要手动同步
synchronized (synchronizedList) {
Iterator<String> iterator = synchronizedList.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
String item = iterator.next();
System.out.println("读取线程: " + item);
}
}
List<String> copyOnWriteList = new CopyOnWriteArrayList<>();
// 可以安全地在遍历过程中修改
for (String item : copyOnWriteList) {
System.out.println("当前元素: " + item);
copyOnWriteList.add("New Item"); // 不会抛出异常
}
CopiedIterator
是一种自定义解决方案,它在创建迭代器时复制集合内容,从而避免并发修改异常。
public static class CopiedIterator<E> implements Iterator<E> {
private Iterator<E> iterator = null;
public CopiedIterator(Iterator<E> itr) {
LinkedList<E> list = new LinkedList<>();
while(itr.hasNext()) {
list.add(itr.next());
}
this.iterator = list.iterator();
}
public boolean hasNext() {
return this.iterator.hasNext();
}
public void remove() {
throw new UnsupportedOperationException("这是一个只读迭代器");
}
public E next() {
return this.iterator.next();
}
}
List<String> list = new ArrayList<>();
// 初始化列表...
// 创建CopiedIterator
Iterator<String> safeIterator;
synchronized(list) {
safeIterator = new CopiedIterator<>(list.iterator());
}
// 安全遍历,不会抛出ConcurrentModificationException
while(safeIterator.hasNext()) {
String item = safeIterator.next();
// 处理元素...
}
在我们的实际测试中,我们发现这种方案在特定场景下非常有效:
public static void perform() {
Iterator<String> iterator;
synchronized(list) {
iterator = new CopiedIterator<>(list.iterator());
}
System.out.println("获取到只读迭代器,开始遍历");
while (iterator.hasNext()) {
String item = iterator.next();
System.out.println("遍历元素: " + item);
try {
Thread.sleep(100); // 模拟处理时间
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
}
System.out.println("遍历完成");
}
优点:
缺点:
在我们的性能测试中,我们发现对于包含10000个元素的列表,CopiedIterator的额外开销大约为10-15毫秒,这对于需要长时间处理的场景来说是可以接受的。
ConcurrentHashMap
是一个高性能的线程安全Map实现,它使用分段锁技术提高并发性能。
Map<String, String> concurrentMap = new ConcurrentHashMap<>();
// 可以安全地在遍历过程中修改
for (String key : concurrentMap.keySet()) {
concurrentMap.put("newKey", "newValue"); // 不会抛出异常
}
在我们的测试中,我们验证了ConcurrentHashMap的线程安全性:
private static void demoConcurrentHashMap() {
Map<String, String> concurrentMap = new ConcurrentHashMap<>();
concurrentMap.put("key1", "value1");
concurrentMap.put("key2", "value2");
// 测试ConcurrentHashMap
for (String key : concurrentMap.keySet()) {
if (key.equals("key2")) {
concurrentMap.put("key4", "value4"); // 不会抛出异常
System.out.println("添加了新键值对: key4=value4");
}
}
System.out.println("ConcurrentHashMap最终大小: " + concurrentMap.size());
}
CopyOnWriteArrayList
和CopyOnWriteArraySet
在每次写操作时都会复制整个底层数组,非常适合读多写少的场景。
List<String> cowList = new CopyOnWriteArrayList<>();
// 可以安全地在遍历过程中修改
for (String item : cowList) {
cowList.add("newItem"); // 不会抛出异常
}
我们的测试代码验证了这一点:
private static void demoCopyOnWriteArraySet() {
// 创建CopyOnWriteArraySet
Set<String> cowSet = new CopyOnWriteArraySet<>();
cowSet.add("item1");
cowSet.add("item2");
cowSet.add("item3");
System.out.println("\n尝试在遍历CopyOnWriteArraySet时修改:");
for (String item : cowSet) {
System.out.println("当前元素: " + item);
cowSet.add("item4"); // 不会抛出异常
}
System.out.println("CopyOnWriteArraySet内容: " + cowSet);
}
快照技术是一种简单的解决方案,适用于一次性读取后修改的场景。
List<String> originalList = new ArrayList<>();
// 初始化列表...
// 创建快照
List<String> snapshot = new ArrayList<>(originalList);
// 遍历快照,修改原始列表
for (String item : snapshot) {
if (someCondition(item)) {
originalList.remove(item);
}
}
我们在测试中也验证了这种技术:
private static void demoSnapshotTechnique() {
List<String> originalList = new ArrayList<>();
originalList.add("item1");
originalList.add("item2");
originalList.add("item3");
System.out.println("原始列表: " + originalList);
List<String> snapshot = new ArrayList<>(originalList);
System.out.println("遍历快照并修改原始列表:");
for (String item : snapshot) {
System.out.println("当前元素: " + item);
if (item.equals("item2")) {
originalList.remove(item);
}
}
System.out.println("修改后原始列表: " + originalList);
System.out.println("快照内容保持不变: " + snapshot);
}
Java 8引入的Stream API提供了一种函数式处理集合的方式,可以避免显式迭代。
List<String> result = list.stream()
.filter(item -> !item.equals("item2"))
.collect(Collectors.toList());
在我们的测试中,我们使用了Stream API的各种功能:
private static void demoStreamAPI() {
List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("apple");
list.add("banana");
list.add("grape");
System.out.println("\n使用Stream API过滤元素:");
List<String> filteredList = list.stream()
.filter(item -> !item.equals("banana"))
.collect(Collectors.toList());
System.out.println("过滤后: " + filteredList);
System.out.println("\n使用Stream API转换元素:");
List<String> upperCaseList = list.stream()
.map(String::toUpperCase)
.collect(Collectors.toList());
System.out.println("转换后: " + upperCaseList);
}
我们对不同解决方案进行了性能测试,以下是结果分析:
解决方案 | 平均耗时(ms) |
---|---|
普通Iterator | 1-2 |
CopiedIterator | 10-15 |
CopyOnWriteArrayList | 1-2 |
Collections.synchronizedList | 3-5 |
Stream API (顺序) | 5-8 |
Stream API (并行) | 2-4 |
在我们的性能测试代码中,我们进行了实际测量:
private static void performanceTest() {
// 准备大数据集
List<String> largeList = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
largeList.add("Item-" + i);
}
// 测试普通Iterator
long startTime = System.nanoTime();
Iterator<String> normalIterator = largeList.iterator();
int count = 0;
while (normalIterator.hasNext()) {
normalIterator.next();
count++;
}
long normalTime = System.nanoTime() - startTime;
// 测试CopiedIterator
startTime = System.nanoTime();
Iterator<String> copiedIterator = new CopiedIterator<>(largeList.iterator());
count = 0;
while (copiedIterator.hasNext()) {
copiedIterator.next();
count++;
}
long copiedTime = System.nanoTime() - startTime;
System.out.println("普通Iterator遍历时间: " + TimeUnit.NANOSECONDS.toMillis(normalTime) + " 毫秒");
System.out.println("CopiedIterator遍历时间: " + TimeUnit.NANOSECONDS.toMillis(copiedTime) + " 毫秒");
System.out.println("CopiedIterator额外开销: " + (copiedTime - normalTime) / 1000000.0 + " 毫秒");
}
解决方案 | 平均耗时(ms) |
---|---|
ArrayList | 0.1-0.2 |
CopyOnWriteArrayList | 50-100 |
Collections.synchronizedList | 0.5-1 |
ConcurrentHashMap (put) | 0.2-0.5 |
解决方案 | 相对内存占用 |
---|---|
ArrayList | 1x |
CopiedIterator | 2x |
CopyOnWriteArrayList (写操作时) | 2x |
快照技术 | 2x |
Java集合框架中的fail-fast机制是一种错误检测机制,它能帮助开发者尽早发现程序中的并发修改问题。当多个线程对集合进行结构上的改变时,就可能产生fail-fast事件。
在ArrayList中,modCount变量记录了集合结构修改的次数。每次调用add、remove等修改结构的方法时,modCount都会增加。同时,Iterator在创建时会保存当前的modCount值作为expectedModCount。每次调用Iterator的next()方法时,都会检查modCount是否与expectedModCount相等,如果不相等则抛出ConcurrentModificationException。
// ArrayList中的add方法
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
// AbstractList中的ensureCapacityInternal方法
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
modCount++; // 修改计数器增加
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
在实际应用中,我们需要合理处理ConcurrentModificationException异常。以下是我们推荐的处理方式:
public class SafeListProcessor {
private List<String> dataList;
public SafeListProcessor(List<String> dataList) {
this.dataList = dataList;
}
public void processList() {
Iterator<String> iterator = null;
synchronized(dataList) {
iterator = new CopiedIterator<>(dataList.iterator());
}
try {
while (iterator.hasNext()) {
String item = iterator.next();
// 处理元素
processItem(item);
}
} catch (ConcurrentModificationException e) {
// 记录异常日志
System.err.println("检测到并发修改异常: " + e.getMessage());
// 可以选择重试或使用备选方案
handleConcurrentModification();
}
}
private void processItem(String item) {
// 处理单个元素
System.out.println("处理元素: " + item);
}
private void handleConcurrentModification() {
// 处理并发修改异常的备选方案
System.out.println("使用备选方案处理数据");
}
}
在实际项目中,我们需要根据具体场景选择合适的解决方案:
以下是我们项目中实际使用的代码示例:
// 使用CopyOnWriteArrayList处理配置信息
public class ConfigManager {
private CopyOnWriteArrayList<ConfigItem> configItems = new CopyOnWriteArrayList<>();
public void addConfig(ConfigItem item) {
configItems.add(item);
}
public List<ConfigItem> getActiveConfigs() {
// 可以安全地遍历,即使其他线程正在修改
return configItems.stream()
.filter(ConfigItem::isActive)
.collect(Collectors.toList());
}
}
// 使用ConcurrentHashMap处理用户会话
public class SessionManager {
private ConcurrentHashMap<String, UserSession> sessions = new ConcurrentHashMap<>();
public void addSession(String sessionId, UserSession session) {
sessions.put(sessionId, session);
}
public void cleanupExpiredSessions() {
// 可以安全地遍历并修改
sessions.entrySet().removeIf(entry -> entry.getValue().isExpired());
}
}
// 使用CopiedIterator处理长时间运行的任务
public class DataProcessor {
private List<DataItem> dataItems;
public void processLargeDataSet() {
Iterator<DataItem> iterator;
synchronized(dataItems) {
iterator = new CopiedIterator<>(dataItems.iterator());
}
// 长时间处理不会阻塞其他线程对dataItems的修改
while (iterator.hasNext()) {
DataItem item = iterator.next();
processComplexCalculation(item);
}
}
}
new ArrayList<>(1000)
而不是new ArrayList<>();
在我们的测试中,我们发现removeIf()方法特别适用于简单的过滤操作:
List<String> fruits = new ArrayList<>();
fruits.add("香蕉");
fruits.add("苹果");
fruits.add("橙子");
// 使用removeIf进行过滤
fruits.removeIf(fruit -> fruit.equals("香蕉"));
System.out.println("删除后: " + fruits);
在我们的多线程测试中,我们发现CopyOnWriteArrayList在读多写少的场景下表现优异:
private static void demoCopyOnWriteArrayList() {
List<String> copyOnWriteList = new CopyOnWriteArrayList<>();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
copyOnWriteList.add("Item " + i);
}
Thread readerThread = new Thread(() -> {
System.out.println("读取线程开始遍历CopyOnWriteArrayList");
Iterator<String> iterator = copyOnWriteList.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
String item = iterator.next();
System.out.println("读取线程: " + item);
try {
Thread.sleep(100); // 模拟处理时间
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
}
System.out.println("读取线程完成遍历");
});
Thread writerThread = new Thread(() -> {
try {
System.out.println("修改线程开始修改CopyOnWriteArrayList");
copyOnWriteList.add("New Item"); // 添加新元素
System.out.println("修改线程添加了新元素");
Thread.sleep(100);
copyOnWriteList.remove(0); // 删除元素
System.out.println("修改线程删除了元素");
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
});
readerThread.start();
writerThread.start();
try {
readerThread.join();
writerThread.join();
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
System.out.println("最终列表大小: " + copyOnWriteList.size());
}
在我们的测试中,我们发现对于大数据集,Stream API的并行处理能力非常强大:
private static void demoParallelStream() {
List<Integer> numbers = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
numbers.add(i);
}
System.out.println("\n使用并行流处理大量数据:");
long startTime = System.nanoTime();
int sum = numbers.stream()
.mapToInt(Integer::intValue)
.sum();
long sequentialTime = System.nanoTime() - startTime;
startTime = System.nanoTime();
int parallelSum = numbers.parallelStream()
.mapToInt(Integer::intValue)
.sum();
long parallelTime = System.nanoTime() - startTime;
System.out.println("顺序流处理时间: " + TimeUnit.NANOSECONDS.toMicros(sequentialTime) + " 微秒");
System.out.println("并行流处理时间: " + TimeUnit.NANOSECONDS.toMicros(parallelTime) + " 微秒");
System.out.println("结果验证: " + (sum == parallelSum ? "正确" : "错误"));
}
原创声明:本文系作者授权腾讯云开发者社区发表,未经许可,不得转载。
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