JUC 高并发编程之集合的线程安全

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IT枫斗者 2022-12-07 10:28:49 博主文章分类：编程学习 ©著作权

文章标签 缓存 redis java 线程安全 List 文章分类 虚拟化云计算

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JUC 高并发编程之集合的线程安全

集合操作 Demo

NotSafeDemo

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.UUID;
/**
* 集合线程安全案例
*/
public class NotSafeDemo {
/**
* 多个线程同时对集合进行修改
* @param args
*/
public static void main(String[] args) {
List list = new ArrayList();
for (int i = 0; i < 100; i++) {
new Thread(() ->{
list.add(UUID.randomUUID().toString());
System.out.println(list);
}, "线程" + i).start();
} } }

异常内容 java.util.ConcurrentModificationException

问题: 为什么会出现并发修改异常?

查看 ArrayList 的 add 方法源码

/**
* 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!!
elementData[size++] = e;
return true; }

那么我们如何去解决 List 类型的线程安全问题?

Vector

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

Vector 中的操作是线程安全的

NotSafeDemo 代码修改

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.UUID;
import java.util.Vector;

/**
* 集合线程安全案例
*/
public class NotSafeDemo {
/**
* 多个线程同时对集合进行修改
* @param args
*/
public static void main(String[] args) {
List list = new Vector();
for (int i = 0; i < 100; i++) {
new Thread(() ->{
list.add(UUID.randomUUID().toString());
System.out.println(list);
}, "线程" + i).start();
} } }

现在没有运行出现并发异常,为什么?

/**
* 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

Collections

Collections 提供了方法 synchronizedList 保证 list 是同步线程安全的

NotSafeDemo 代码修改

import java.util.*;
/**
* 集合线程安全案例
*/

public class NotSafeDemo {
/**
* 多个线程同时对集合进行修改
* @param args
*/
public static void main(String[] args) {
List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
for (int i = 0; i < 100; i++) {
new Thread(() ->{
list.add(UUID.randomUUID().toString());
System.out.println(list);
}, "线程" + i).start();
} } }

没有并发修改异常,查看源码

/**
* 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));
}

CopyOnWriteArrayList

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：

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
它是线程安全的
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
迭代器支持 hasNext(), next()等不可变操作，但不支持可变 remove()等操作
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

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。就是拷贝一份
NotSafeDemo 代码修改

import java.util.*;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;

/**
* 集合线程安全案例
*/
public class NotSafeDemo {

/**
* 多个线程同时对集合进行修改
* @param args
*/
public static void main(String[] args) {
List list = new CopyOnWriteArrayList();
for (int i = 0; i < 100; i++) {
new Thread(() ->{
list.add(UUID.randomUUID().toString());
System.out.println(list);
}, "线程" + i).start();
} } }

没有线程安全问题

CopyOnWriteArrayList 的原理

动态数组机制
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
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
通过 volatile 和互斥锁来实现的
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
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