多线程（41）并发修改异常和解决方案

深碍√TFBOYSˉ_ 2024-04-24 23:11 26阅读 0赞

并发修改异常（Concurrent Modification Exception）通常是指在对一个集合（collection）进行迭代的同时，尝试直接修改该集合的内容（如添加、删除元素），导致迭代器的行为未定义而抛出的异常。在Java中，这种异常具体表现为`java.util.ConcurrentModificationException`。这种异常不仅仅在多线程环境中出现，在单线程环境中，如果在使用迭代器的过程中直接修改集合，也会遇到这个问题。

#### 并发修改异常背后的原理 ####

Java的集合类，如`ArrayList`、`HashMap`等，通常会有一个`modCount`变量，用来记录集合自创建以来的修改次数。每当集合结构被修改（如添加、删除元素），这个计数器就会增加。当创建一个迭代器后，迭代器会持有一个初始的`modCount`值。在迭代过程中，如果检测到当前集合的`modCount`与迭代器持有的值不一致，则会抛出`ConcurrentModificationException`。

#### 引发并发修改异常的情况 ####

1.  在使用迭代器遍历集合时，通过集合直接调用修改方法，如`list.add()`或`list.remove()`。
2.  在foreach循环中修改集合，因为foreach循环背后使用的是迭代器。
3.  在多线程环境中，如果一个线程遍历集合，而另一个线程修改了同一个集合，可能会导致异常。

#### 解决并发修改异常的策略 ####

##### 单线程环境 #####

在单线程环境中，问题通常出现在对集合的迭代与修改没有正确同步。

1.  **使用迭代器的修改方法**：
    
     *  多数迭代器提供了`remove()`方法，可以安全地删除元素。
     *  对于`List`，迭代器还可能提供`add()`和`set()`方法用于添加和替换元素。
2.  **使用传统的for循环**：
    
     *  使用传统的for循环和指数来避免迭代器的约束。在循环内部可以安全地调用集合的修改方法。
3.  **收集修改操作**：
    
     *  首先遍历集合，将所有的修改操作（如删除或添加的元素）记录下来。
     *  在遍历结束后，执行这些修改操作。

##### 多线程环境 #####

在多线程环境中，问题更为复杂，因为可能涉及到线程安全问题。

1.  **同步封装器**：
    
     *  使用`Collections.synchronizedList()`等同步封装器包装原始集合。
     *  在迭代时需要手动同步原始集合对象。
2.  **并发集合**：
    
     *  使用`java.util.concurrent`包中的并发集合，如`ConcurrentHashMap`，`CopyOnWriteArrayList`等。
     *  这些集合内部采用了特殊的算法来管理并发修改，例如写时复制（Copy-On-Write）。
3.  **分段锁技术**：
    
     *  例如，在`ConcurrentHashMap`中，采用了一种分段锁的技术，允许多个写操作在不同段的桶上并行执行。
4.  **显式锁定**：
    
     *  使用`ReentrantLock`或`ReadWriteLock`对代码块进行显式锁定。
     *  尝试锁定整个集合或者集合中的特定部分，以同步多线程间的操作。
5.  **不变模式（Immutable Pattern）**：
    
     *  使用不可变集合，比如Google Guava库中的ImmutableList。
     *  如果需要修改，就创建一个新的集合。
6.  **Thread-local存储**：
    
     *  使用`ThreadLocal`变量，为每个线程提供集合的独立副本。
7.  **软件事务内存**：
    
     *  使用软件事务内存（STM）等技术，提供一种乐观锁的并发控制方法。
8.  **函数式编程技术**：
    
     *  使用函数式编程范式，强调使用不可变数据结构和函数而非命令式的状态修改。

#### 最佳实践 ####

1.  **最小化锁的作用范围**：在多线程环境中，锁定代码段应尽可能小，但要确保足够大以维护一致性和完整性。
2.  **避免在迭代中修改集合**：在迭代过程中避免进行任何可能影响迭代器状态的操作。
3.  **使用正确的并发集合**：理解并选择最适合当前用例的并发集合。
4.  **优先考虑不可变集合**：在可能的情况下，优先使用不可变集合和函数式编程风格。
5.  **编写线程安全代码**：应该考虑将并行访问或修改集合的方法设计成线程安全的。

#### 结论 ####

并发修改异常是编程中常见的错误之一，特别是在并发编程环境中。解决这一问题需要深入理解集合的工作机制、迭代器的约束以及适当的同步技术。通过上述方法和最佳实践，可以避免和解决并发修改异常，编写高效、稳定且线程安全的代码。