Java多线程理解：线程安全的集合对象

女爷i 2022-01-22 14:13 261阅读 0赞

**1、概念介绍**

*  线程安全就是多线程访问时，采用了加锁机制，当一个线程访问该类的某个数据时，进行保护，其他线程不能进行访问直到该线程读取完，其他线程才可使用。不会出现数据不一致或者数据污染。
 *  线程不安全就是不提供数据访问保护，多线程先后更改数据会产生**数据不一致或者数据污染**的情况。
 *  一般使用**synchronized**关键字加锁同步控制，来解决线程不安全问题。

**2、线程安全的集合对象**

*  ArrayList线程不安全，Vector线程安全；
 *  HashMap线程不安全，HashTable线程安全；
 *  StringBuilder线程不安全，StringBuffer线程安全。

**3、代码测试**

*  ArrayList线程不安全：  
    在主线程中新建100个子线程，分别向ArrayList中添加100个元素，最后打印ArrayList的size。

public class Test {
    
      public static void main(String [] args){
          // 用来测试的List  
          List<String> data = new ArrayList<>();
          // 用来让主线程等待100个子线程执行完毕  
          CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(100);
          // 启动100个子线程  
          for(int i=0;i<100;i++){
              SampleTask task = new SampleTask(data,countDownLatch);
              Thread thread = new Thread(task);
              thread.start();
          }
          try{
              // 主线程等待所有子线程执行完成，再向下执行  
              countDownLatch.await();
          }catch (InterruptedException e){  
              e.printStackTrace();  
          } 
          // List的size  
          System.out.println(data.size());
      }
    }
    class SampleTask implements Runnable {
        CountDownLatch countDownLatch;
        List<String> data;
        public SampleTask(List<String> data,CountDownLatch countDownLatch){
            this.data = data;
            this.countDownLatch = countDownLatch;
        }
        @Override
        public void run() {
            // 每个线程向List中添加100个元素  
            for(int i = 0; i < 100; i++)  
            {  
                data.add("1");
            }  
            // 完成一个子线程  
            countDownLatch.countDown();
        }
    }

7次测试输出()：

9998
    10000
    10000
    ArrayIndexOutOfBoundsException
    10000
    9967
    9936

*  Vector线程安全：  
    在主线程中新建100个子线程，分别向Vector中添加100个元素，最后打印Vector的size。

public class Test {
    
      public static void main(String [] args){
          // 用来测试的List  
          List<String> data = new Vector<>();
          // 用来让主线程等待100个子线程执行完毕  
          CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(100);
          // 启动100个子线程  
          for(int i=0;i<100;i++){
              SampleTask task = new SampleTask(data,countDownLatch);
              Thread thread = new Thread(task);
              thread.start();
          }
          try{
              // 主线程等待所有子线程执行完成，再向下执行  
              countDownLatch.await();
          }catch (InterruptedException e){  
              e.printStackTrace();  
          } 
          // List的size  
          System.out.println(data.size());
      }
    }
    class SampleTask implements Runnable {
        CountDownLatch countDownLatch;
        List<String> data;
        public SampleTask(List<String> data,CountDownLatch countDownLatch){
            this.data = data;
            this.countDownLatch = countDownLatch;
        }
        @Override
        public void run() {
            // 每个线程向List中添加100个元素  
            for(int i = 0; i < 100; i++)  
            {  
                data.add("1");
            }  
            // 完成一个子线程  
            countDownLatch.countDown();
        }
    }

7次测试输出()：

10000
    10000
    10000
    10000
    10000
    10000
    10000

*  使用**synchronized关键字**来同步ArrayList：

public class Test {
    
      public static void main(String [] args){
          // 用来测试的List  
          List<String> data = new ArrayList<>();
          // 用来让主线程等待100个子线程执行完毕  
          CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(100);
          // 启动100个子线程  
          for(int i=0;i<100;i++){
              SampleTask task = new SampleTask(data,countDownLatch);
              Thread thread = new Thread(task);
              thread.start();
          }
          try{
              // 主线程等待所有子线程执行完成，再向下执行  
              countDownLatch.await();
          }catch (InterruptedException e){  
              e.printStackTrace();  
          } 
          // List的size  
          System.out.println(data.size());
      }
    }
    class SampleTask implements Runnable {
        CountDownLatch countDownLatch;
        List<String> data;
        public SampleTask(List<String> data,CountDownLatch countDownLatch){
            this.data = data;
            this.countDownLatch = countDownLatch;
        }
        @Override
        public void run() {
            // 每个线程向List中添加100个元素  
            for(int i = 0; i < 100; i++)  
            {  
                synchronized(data){
                    data.add("1");
                }
            }  
            // 完成一个子线程  
            countDownLatch.countDown();
        }
    }

7次测试输出()：

10000
    10000
    10000
    10000
    10000
    10000
    10000

**3、原因分析**

*  ArrayList在添加一个元素的时候，它会有两步来完成：1. 在 Items\[Size\] 的位置存放此元素；2. 增大 Size 的值。  
    在单线程运行的情况下，如果 Size = 0，添加一个元素后，此元素在位置 0，而且 Size=1；  
    而如果是在多线程情况下，比如有两个线程，线程 A 先将元素1存放在位置 0。但是此时 CPU 调度线程A暂停，线程 B 得到运行的机会。线程B向此 ArrayList 添加元素2，因为此时 Size 仍然等于 0 （注意，我们假设的是添加一个元素是要两个步骤，而线程A仅仅完成了步骤1），所以线程B也将元素存放在位置0。然后线程A和线程B都继续运行，都增加 Size 的值，结果Size都等于1。  
    最后，ArrayList中期望的元素应该有2个，而实际元素是在0位置，造成丢失元素，故Size 等于1。导致“线程不安全”。  
    ArrayList源码：

@Override public boolean add(E object) {
            Object[] a = array;
            int s = size;
            if (s == a.length) {
                Object[] newArray = new Object[s +
                        (s < (MIN_CAPACITY_INCREMENT / 2) ?
                         MIN_CAPACITY_INCREMENT : s >> 1)];
                System.arraycopy(a, 0, newArray, 0, s);
                array = a = newArray;
            }
            a[s] = object;
            size = s + 1;
            modCount++;
            return true;
        }

*  Vector的所有操作方法都被同步了，既然被同步了，多个线程就不可能同时访问vector中的数据，只能一个一个地访问，所以不会出现数据混乱的情况，所以是线程安全的。  
    Vector源码：

@Override
        public synchronized boolean add(E object) {
            if (elementCount == elementData.length) {
                growByOne();
            }
            elementData[elementCount++] = object;
            modCount++;
            return true;
        }

**4、线程安全的集合并不安全**

分析以下场景：

synchronized(map){
    Object value = map.get(key);
    if(value == null)
    {
        value = new Object();
        map.put(key,value);
    }
    return value;}

由于线程安全的集合对象是**基于单个方法的同步**，所以即使map是线程安全的，也会产生不同步现象。  
在非单个方法的场景下，我们仍然需要使用synchronized加锁才能保证对象的同步。

代码测试：

public class Test {
    
      public static void main(String [] args){
          // 用来测试的List  
          List<String> data = new Vector<>();
          // 用来让主线程等待100个子线程执行完毕  
          CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(100);
          // 启动100个子线程  
          for(int i=0;i<1000;i++){
              SampleTask task = new SampleTask(data,countDownLatch);
              Thread thread = new Thread(task);
              thread.start();
          }
          try{
              // 主线程等待所有子线程执行完成，再向下执行  
              countDownLatch.await();
          }catch (InterruptedException e){  
              e.printStackTrace();  
          } 
          // List的size  
          System.out.println(data.size());
      }
    }
    class SampleTask implements Runnable {
        CountDownLatch countDownLatch;
        List<String> data;
        public SampleTask(List<String> data,CountDownLatch countDownLatch){
            this.data = data;
            this.countDownLatch = countDownLatch;
        }
        @Override
        public void run() {
            // 每个线程向List中添加100个元素  
            int size = data.size();
            data.add(size,"1"); 
            // 完成一个子线程  
            countDownLatch.countDown();
        }
    }

997
    993
    995
    996
    997
    998
    997

**5、总结**

*  **如何取舍**  
    线程安全必须要使用**synchronized关键字**来同步控制，所以会导致**性能的降低**。  
    当不需要线程安全时，可以选择ArrayList，避免方法同步产生的开销；  
    当**多个线程操作同一个对象**时，可以选择线程安全的Vector；
 *  **线程不安全!=不安全**  
    有人在使用过程中有一个不正确的观点：我的程序是多线程的，不能使用ArrayList要使用Vector，这样才安全。  
    **线程不安全并不是多线程环境下就不能使用**。  
    注意线程不安全条件：**多线程操作同一个对象**。比如上述代码就是在多个线程操作同一个ArrayList对象。  
    如果每个线程中new一个ArrayList，而这个ArrayList只在这一个线程中使用，那么是没问题的。
 *  **线程‘安全’的集合对象**  
    较复杂的操作下，线程安全的集合对象也无法保证数据的同步，仍然需要我们来处理。