线程安全的集合类有哪些？

冷不防 2023-10-03 12:44 12阅读 0赞

**验证ArrayList线程不安全**  
ArrayList 应当是开发中用到的最多的集合类，是动态列表，List 接口的实现类。

多数情况下，我们实在单线程环境使用，或者是在方法内部，以局部变量的形式使用，一般不会出现线程安全问题。

但是当ArrayList置身于多线程环境时，很容易因为自身的fail-fast 机制抛出异常 ConcurrentModificationException 。

比如下面的代码

/**
     * 验证ArrayList的线程不安全，并提供几种线程安全的列表的解决方案
     *
     * @author linjinjia linjinjia047@163.com
     * @date 2021/3/19 22:38
     */
    public class ListThreadSafeDemo {
        
    
        public static void main(String[] args) {
        
            List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
        
                final int j = i;
                new Thread(() -> {
        
                    list.add(j);
                    System.out.println(list);
                }, "" + i).start();
            }
        }
    }

输出（输出结果不是唯一的，也有可能不抛出异常）：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzODQyMDkz_size_16_color_FFFFFF_t_70]

ConcurrentModificationException 可以作为一种检测bug的方式，但是不能在程序中依赖此异常。

### 线程安全的集合哪里找？ ###

在众多的List 接口实现类中，总有一部分是为了线程安全而设计的。

使用 **Collections.synchronizedList(List list) 方法**  
该方法像是一个包装操作，将传入的 list 进行包装，调用 list 的方法之前，进行同步处理。

返回列表对象的类，都是继承了一个 SynchronizedCollection 类，该类有一个成员变量 Object mutex，用来做同步处理时使用。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzODQyMDkz_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
在调用List 的方法时，会先对 mutex 进行同步，然后再调用 c 对应的方法。追踪 synchronizedList 方法的源码，会很容易发现这一点。

Collections.synchronizedList(List list) 方法的注释中，指出了遍历返回列表时，建议手动进行同步，并给了个示例。

List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList());
        ...
        synchronized (list) {
        
            Iterator i = list.iterator(); // Must be in synchronized block
            while (i.hasNext())
                foo(i.next());
        }

这是因为返回列表的 listIterator() 和 listIterator(int index) 方法都是直接返回 c 的迭代器，所以遍历需要自己进行同步。

**使用Vector类**  
Vector 是 jdk1.0 的古老集合类，该类对大部分方法都加上了 synchronized 关键字，用来保证线程安全。

该类的 listIterator 和 iterator 返回的迭代器是支持 fail-fast 的。

还有一个 elements() 方法，返回一个 Enumeration 对象，只有 hasMoreElements() 和 nextElement()方法，不支持 fail-fast。

Vector 和 synchronizedList 的区别是，一个是Vector对方法加锁，无法控制锁的粒度；二是Vector进行加锁的对象是 this 本身，无法控制锁的对象。

**使用 CopyOnWriteArrayList** ⭐  
CopyOnWrite 也叫 COW。

CopyOnWrite 容器即写时复制的容器。往一个容器添加元素的时候，不直接往当前容器Object添加。

而是先将当前容器 Object\[\] 进行复制，复制一个新的容器 Object\[\] newElement 并往其中里添加元素，添加完元素之后，再将原容器的引用指向新的容器 setArray(new Element) 。

这样做的好处是可以对 CopyOnWrite 容器进行并发的读，而不需要加锁，因为当前容器不会添加任何元素。所以CopyOnWrite 容器也是一种读写分离的思想，读和写不同的容器。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzODQyMDkz_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzODQyMDkz_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
可以看到 add 方法中，是先复制原来的数组，然后增加新的元素，最后再赋值回原来的数组，这个过程是加锁的。

**CopyOnWriteArrayList 适合读多写少的场景，写多的情况下，频繁地加锁和复制，也是一笔很大的开销。**

拓展  
**以上三种方式适用于 List ，但是 Set 和 Map 也有类似的方式，去实现线程安全。**

比如 Collections 中也有 **synchronizedSet** 和 **synchronizedMap** 方法，其原理也跟 synchronizedList 一样。

HashMap 和 HashTable 的关系犹如ArrayList 和 Vector 。

**java.util.concurrent 下也有 CopyOnWriteSet, ConcurrentHashMap 这种线程安全的集合。**

而且， CopyOnWriteSet 底层依赖的是 CopyOnWriteArrayList ，比如它的 add 方法就是调用了 CopyOnWriteArrayList 的 addIfAbsent() 方法。

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