一、ArrayList 是不安全的
1、故障现象
public class NotSafeDemo {
public static void main(String[] args) {
List<String> list = new ArrayList();
for (int i = 0; i < 30; i++) {
//多个线程同时对集合进行修改
new Thread(() -> {
//向集合中添加内容
list.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0, 8));
//从集合中获取内容
System.out.println(list);
}, String.valueOf(i)).start();
}
}
}
运行结果：
运行发生了异常，异常信息是：java.util.ConcurrentModificationException。
如果只有一个线程操作ArrayList，是没有任何问题的。
2、分析原因
/**
* Appends the specified element to the end of this list.
*
* @param e element to be appended to this list
* @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add})
*/
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! 这里会modCount++
elementData[size++] = e;
return true;
}
可以看到 add() 方法是没有 synchronized，并不能保证线程安全。
在 ArrayList 的内部类 Itr 中这样的一个方法：
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
这里判断真正的 modCount 与 期望的 modCount 是否相等，如果不等就会抛出并发修改异常，就是为了防止多个线程对 ArrayList 的操作。
那么如何解决List 类型的线程安全问题呢？
二、方案一
1、使用 Vector
继承结构：
Vector 是矢量队列，它是 JDK1.0 版本添加的类。继承于 AbstractList，实现了 List, RandomAccess, Cloneable 这些接口。 Vector 继承了 AbstractList，实现了 List；所以， 它是一个队列，支持相关的添加、删除、修改、遍历等功能。
Vector 实现了 RandmoAccess 接口，即提供了随机访问功能。RandmoAccess 是 java 中用来被 List 实现，为 List 提供快速访问功能的。在Vector 中，我们即可以通过元素的序号快速获取元素对象；这就是快速随机访问。 Vector 实现了 Cloneable 接口，即实现 clone()函数。它能被克隆。
和 ArrayList 不同， Vector 中的操作是线程安全的。
2、代码实现
/**
* List集合线程安全案例
*/
public class SafeListDemo {
public static void main(String[] args) {
List<String> list = new Vector<>();
for (int i = 0; i < 30; i++) {
//多个线程同时对集合进行修改
new Thread(() -> {
//向集合中添加内容
list.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0, 8));
//从集合中获取内容
System.out.println(list);
}, String.valueOf(i)).start();
}
}
}
3、原理分析
查看 Vector 的 add 方法
/**
* Appends the specified element to the end of this Vector.
*
* @param e element to be appended to this Vector
* @return {@code true} (as specified by {@link Collection#add})
* @since 1.2
*/
public synchronized boolean add(E e) {
modCount++;
ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
elementData[elementCount++] = e;
return true;
}
add 方法被 synchronized 同步修辞,线程安全！因此没有并发异常。
三、方案二
1、使用 Collections 工具类
Collections 提供了方法 synchronizedList 保证 list 是同步线程安全的。
2、代码实现
public class SafeListDemo {
public static void main(String[] args) {
List<String> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
for (int i = 0; i < 30; i++) {
//多个线程同时对集合进行修改
new Thread(() -> {
//向集合中添加内容
list.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0, 8));
//从集合中获取内容
System.out.println(list);
}, String.valueOf(i)).start();
}
}
}
3、原理分析
查看方法源码：
/**
* Returns a synchronized (thread-safe) list backed by the specified
* list. In order to guarantee serial access, it is critical that
* <strong>all</strong> access to the backing list is accomplished
* through the returned list.<p>
*
* It is imperative that the user manually synchronize on the returned
* list when iterating over it:
* <pre>
* List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList());
* ...
* synchronized (list) {
* Iterator i = list.iterator(); // Must be in synchronized block
* while (i.hasNext())
* foo(i.next());
* }
* </pre>
* Failure to follow this advice may result in non-deterministic behavior.
*
* <p>The returned list will be serializable if the specified list is
* serializable.
*
* @param <T> the class of the objects in the list
* @param list the list to be "wrapped" in a synchronized list.
* @return a synchronized view of the specified list.
*/
public static <T> List<T> synchronizedList(List<T> list) {
return (list instanceof RandomAccess ?
new SynchronizedRandomAccessList<>(list) :
new SynchronizedList<>(list));
}
可以看到是帮我们创建了一个同步的集合。
以 SynchronizedList 为例：
/**
* @serial include
*/
static class SynchronizedList<E>
extends SynchronizedCollection<E>
implements List<E> {
private static final long serialVersionUID = -7754090372962971524L;
final List<E> list;
SynchronizedList(List<E> list) {
super(list);
this.list = list;
}
SynchronizedList(List<E> list, Object mutex) {
super(list, mutex);
this.list = list;
}
public boolean equals(Object o) {
if (this == o)
return true;
synchronized (mutex) {return list.equals(o);}
}
public int hashCode() {
synchronized (mutex) {return list.hashCode();}
}
public E get(int index) {
synchronized (mutex) {return list.get(index);}
}
public E set(int index, E element) {
synchronized (mutex) {return list.set(index, element);}
}
public void add(int index, E element) {
synchronized (mutex) {list.add(index, element);}
}
public E remove(int index) {
synchronized (mutex) {return list.remove(index);}
}
public int indexOf(Object o) {
synchronized (mutex) {return list.indexOf(o);}
}
public int lastIndexOf(Object o) {
synchronized (mutex) {return list.lastIndexOf(o);}
}
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
synchronized (mutex) {return list.addAll(index, c);}
}
public ListIterator<E> listIterator() {
return list.listIterator(); // Must be manually synched by user
}
public ListIterator<E> listIterator(int index) {
return list.listIterator(index); // Must be manually synched by user
}
public List<E> subList(int fromIndex, int toIndex) {
synchronized (mutex) {
return new SynchronizedList<>(list.subList(fromIndex, toIndex),
mutex);
}
}
@Override
public void replaceAll(UnaryOperator<E> operator) {
synchronized (mutex) {list.replaceAll(operator);}
}
@Override
public void sort(Comparator<? super E> c) {
synchronized (mutex) {list.sort(c);}
}
/**
* SynchronizedRandomAccessList instances are serialized as
* SynchronizedList instances to allow them to be deserialized
* in pre-1.4 JREs (which do not have SynchronizedRandomAccessList).
* This method inverts the transformation. As a beneficial
* side-effect, it also grafts the RandomAccess marker onto
* SynchronizedList instances that were serialized in pre-1.4 JREs.
*
* Note: Unfortunately, SynchronizedRandomAccessList instances
* serialized in 1.4.1 and deserialized in 1.4 will become
* SynchronizedList instances, as this method was missing in 1.4.
*/
private Object readResolve() {
return (list instanceof RandomAccess
? new SynchronizedRandomAccessList<>(list)
: this);
}
}
这个类中的方法也是通过实现 synchronized 同步锁的方式来实现同步的，效率不高。
四、方案三（重点）
1、使用 CopyOnWriteArrayList
首先我们对 CopyOnWriteArrayList 进行学习，其特点如下:
它相当于线程安全的 ArrayList。和 ArrayList 一样，它是个可变数组；但是和ArrayList 不同的时，它具有以下特性：
（1）它最适合于具有以下特征的应用程序： List 大小通常保持很小，只读操作远多于可变操作，需要在遍历期间防止线程间的冲突；
（2）它是线程安全的；
（3）因为通常需要复制整个基础数组，所以可变操作（add()、 set() 和 remove() 等等）的开销很大；
（4）迭代器支持 hasNext(), next()等不可变操作，但不支持可变 remove()等操作；
（5）使用迭代器进行遍历的速度很快，并且不会与其他线程发生冲突。在构造迭代器时，迭代器依赖于不变的数组快照；
2、代码实现
public class SafeListDemo {
public static void main(String[] args) {
List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
for (int i = 0; i < 30; i++) {
//多个线程同时对集合进行修改
new Thread(() -> {
//向集合中添加内容
list.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0, 8));
//从集合中获取内容
System.out.println(list);
}, String.valueOf(i)).start();
}
}
}
3、核心思想
核心思想：独占锁效率低：采用读写分离思想解决
写线程获取到锁，其他写线程阻塞。
复制思想：
当我们往一个容器添加元素的时候，不直接往当前容器添加，而是先将当前容器进行 Copy，复制出一个新的容器，然后新的容器里添加元素，添加完元素之后，再将原容器的引用指向新的容器。
这时候会抛出来一个新的问题，也就是数据不一致的问题。如果写线程还没来得及写会内存，其他的线程就会读到了脏数据。
这就是 CopyOnWriteArrayList 的思想和原理。
4、原因分析：动态数组与线程安全
下面从“动态数组” 和“线程安全” 两个方面进一步对CopyOnWriteArrayList 的原理进行说明。
“动态数组” 机制：
（1）它内部有个“volatile 数组”(array)来保持数据。在“添加/修改/删除” 数据时，都会新建一个数组，并将更新后的数据拷贝到新建的数组中，最后再将该
数组赋值给“volatile 数组”, 这就是它叫做 CopyOnWriteArrayList 的原因；
（2）由于它在“添加/修改/删除” 数据时，都会新建数组，所以涉及到修改数据的操作， CopyOnWriteArrayList 效率很低；但是单单只是进行遍历查找的话，效率比较高。
“线程安全” 机制：
（1）通过 volatile 和互斥锁来实现的。
（2）通过“volatile 数组” 来保存数据的。一个线程读取 volatile 数组时，总能看到其它线程对该 volatile 变量最后的写入；就这样，通过 volatile 提供了“读
取到的数据总是最新的” 这个机制的保证。
（3）通过互斥锁来保护数据。在“添加/修改/删除” 数据时，会先“获取互斥锁” ，再修改完毕之后，先将数据更新到“volatile 数组” 中，然后再“释放互斥
锁” ，就达到了保护数据的目的。
5、“写时复制”
（1）不加锁性能提升，出错误；加锁数据一致，性能下降；
（2）CopyOnWriteArrayList 定义：
A thread-safe variant of ArrayList in which all mutative operations (add, set, and so on) are implemented by making a fresh copy of the underlying array.
/**
* Appends the specified element to the end of this list.
*
* @param e element to be appended to this list
* @return {@code true} (as specified by {@link Collection#add})
*/
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();
}
}