JUC面试（五）——Collection线程不安全

Collection线程不安全

前言

当我们执行下面语句的时候，底层进行了什么操作

new ArrayList<Integer>();

底层创建了一个空的数组，伴随着初始值为10

当执行add方法后，如果超过了10，那么会进行扩容，扩容的大小为原值的一半，也就是5个，使用下列方法扩容

Arrays.copyOf(elementData, netCapacity)

ArrayList线程不安全

单线程环境

单线程环境的ArrayList是不会有问题的

publicclassArrayListNotSafeDemo{publicstaticvoidmain(String[] args){List<String> list =newArrayList<>();
        list.add("a");
        list.add("b");
        list.add("c");for(String element : list){System.out.println(element);}}}

多线程环境

为什么ArrayList是线程不安全的？因为在进行写操作的时候，方法上为了保证并发性，是没有添加synchronized修饰，所以并发写的时候，就会出现问题

当我们同时启动30个线程去操作List的时候

importjava.util.ArrayList;importjava.util.List;importjava.util.UUID;/**
 * 集合类线程不安全举例
 * @author: wzq
 * @create: 2020-03-12-20:15
 */publicclassArrayListNotSafeDemo{publicstaticvoidmain(String[] args){List<String> list =newArrayList<>();for(int i =0; i <30; i++){newThread(()->{
                list.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0,8));System.out.println(list);},String.valueOf(i)).start();}}}

这个时候出现了错误，也就是java.util.ConcurrentModificationException

这个异常是 并发修改的异常

解决方案

方案一：Vector

第一种方法，就是不用ArrayList这种不安全的List实现类，而采用Vector，线程安全的

关于Vector如何实现线程安全的，而是在方法上加了锁，即synchronized

这样就每次只能够一个线程进行操作，所以不会出现线程不安全的问题，但是因为加锁了，导致并发性极度下降

方案二：Collections.synchronizedList()

List<String> list =Collections.synchronizedList(newArrayList<>());

采用Collections集合工具类，在ArrayList外面包装一层 同步 机制，加同步锁，导致并发性极度下降。

前2个方案的区别：

同步代码块

synchronized(obj){//需要被同步的代码块}

其中，obj 称为同步监视器，也就是锁，原理是：当线程开始执行同步代码块前，必须先获得对同步代码块的锁定。并且任何时刻只能有一个线程可以获得对同步监视器的锁定，当同步代码块执行完成后，该线程会释放对该同步监视器的锁定。

• Vector使用同步方法实现，synchronizedList使用同步代码块实现同步代码块和同步方法的区别 1.同步代码块在锁定的范围上可能比同步方法要小，一般来说锁的范围大小和性能是成反比的。 2.同步块可以更加精确的控制锁的作用域（锁的作用域就是从锁被获取到其被释放的时间），同步方法的锁的作用域就是整个方法。 3.同步代码块可以选择对哪个对象加锁，但是同步方法只能给this对象加锁。
• SynchronizedList有很好的扩展和兼容功能。它可以将所有的List的子类转成线程安全的类
• 使用SynchronizedList的时候，进行遍历时要手动进行同步处理。
• SynchronizedList可以指定锁定的对象

方案三：采用JUC里面的方法

CopyOnWriteArrayList：写时复制，主要是一种读写分离的思想

List<String> list =newCopyOnWriteArrayList<>();

写时复制，CopyOnWrite容器即写时复制的容器，往一个容器中添加元素的时候，不直接往当前容器Object[]添加，而是先将Object[]进行copy，复制出一个新的容器object[] newElements，然后新的容器Object[] newElements里添加原始，添加元素完后，在将原容器的引用指向新的容器 setArray(newElements)；这样做的好处是可以对copyOnWrite容器进行并发的度，而不需要加锁，因为当前容器不需要添加任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一种读写分离的思想，读和写不同的容器

就是写的时候，把ArrayList扩容一个出来，然后把值填写上去，在通知其他的线程，ArrayList的引用指向扩容后的新List。

CopyOnWriteArrayList

虽然是一个线程安全版的ArrayList，但其每次修改数据时都会复制一份数据出来，所以只适用读多写少或无锁读场景。

高并发写时，CopyOnWriteArrayList为何这么慢呢？因为其每次add时，都用Arrays.copyOf创建新数组，频繁add时内存申请释放性能消耗大。

查看底层add方法源码：

publicbooleanadd(E e){finalReentrantLock lock =this.lock;
        lock.lock();try{// 复制Object[] elements =getArray();int len = elements.length;Object[] newElements =Arrays.copyOf(elements, len +1);
            newElements[len]= e;setArray(newElements);returntrue;}finally{
            lock.unlock();}}

首先需要加锁

finalReentrantLock lock =this.lock;
lock.lock();

然后在末尾扩容一个单位

Object[] elements =getArray();int len = elements.length;Object[] newElements =Arrays.copyOf(elements, len +1);

然后在把扩容后的空间，填写上需要add的内容

newElements[len]= e;

最后把内容set到Array中

适合读多写少的情况

HashSet线程不安全

CopyOnWriteArraySet

底层还是使用CopyOnWriteArrayList进行实例化

HashSet底层结构

同理HashSet的底层结构就是HashMap

但是为什么我调用 HashSet.add()的方法，只需要传递一个元素，而HashMap是需要传递key-value键值对？

首先我们查看hashSet的add方法

publicbooleanadd(E e){return map.put(e,PRESENT)==null;}

我们能发现但我们调用add的时候，存储一个值进入map中，只是作为key进行存储，而value存储的是一个Object类型的常量，也就是说HashSet只关心key，而不关心value

HashMap线程不安全

HashMap底层，默认大小16（必须是2^n），加载因子默认0.75，0.75*容量=12，所以map容量达到13则扩容，大小可自定义。java8数据结构：数组+单向链表–>>节点>8红黑树。key相同，存进去会覆盖原value，但是其底层是链表，>8是红黑树。

同理HashMap在多线程环境下，也是不安全的

publicstaticvoidmain(String[] args){Map<String,String> map =newHashMap<>();for(int i =0; i <30; i++){newThread(()->{
                map.put(Thread.currentThread().getName(),UUID.randomUUID().toString().substring(0,8));System.out.println(map);},String.valueOf(i)).start();}}

解决方法

1、使用Collections.synchronizedMap(new HashMap<>());

2、使用 ConcurrentHashMap

Map<String,String> map =newConcurrentHashMap<>();