Java多线程理解：线程安全的集合对象

1、概念介绍

• 线程安全就是多线程访问时，采用了加锁机制，当一个线程访问该类的某个数据时，进行保护，其他线程不能进行访问直到该线程读取完，其他线程才可使用。不会出现数据不一致或者数据污染。
• 线程不安全就是不提供数据访问保护，多线程先后更改数据会产生数据不一致或者数据污染的情况。
• 一般使用synchronized关键字加锁同步控制，来解决线程不安全问题。

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2、线程安全的集合对象

• ArrayList线程不安全，Vector线程安全；
• HashMap线程不安全，HashTable线程安全；
• StringBuilder线程不安全，StringBuffer线程安全。

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3、代码测试

• ArrayList线程不安全：
  在主线程中新建100个子线程，分别向ArrayList中添加100个元素，最后打印ArrayList的size。

  public class Test {
  
  public static void main(String [] args){
   // 用来测试的List
   List<String> data = new ArrayList<>();
   // 用来让主线程等待100个子线程执行完毕
   CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(100);
   // 启动100个子线程
   for(int i=0;i<100;i++){
       SampleTask task = new SampleTask(data,countDownLatch);
       Thread thread = new Thread(task);
       thread.start();
   }
   try{
       // 主线程等待所有子线程执行完成，再向下执行
       countDownLatch.await();
   }catch (InterruptedException e){
       e.printStackTrace();
   }
   // List的size
   System.out.println(data.size());
  }
  }
  class SampleTask implements Runnable {
  CountDownLatch countDownLatch;
  List<String> data;
  public SampleTask(List<String> data,CountDownLatch countDownLatch){
     this.data = data;
     this.countDownLatch = countDownLatch;
  }
  @Override
  public void run() {
     // 每个线程向List中添加100个元素
     for(int i = 0; i < 100; i++)
     {
         data.add("1");
     }
     // 完成一个子线程
     countDownLatch.countDown();
  }
  }

  7次测试输出()：

  9998
  10000
  10000
  ArrayIndexOutOfBoundsException
  10000
  9967
  9936

• Vector线程安全：
  在主线程中新建100个子线程，分别向Vector中添加100个元素，最后打印Vector的size。

  public class Test {
  
  public static void main(String [] args){
   // 用来测试的List
   List<String> data = new Vector<>();
   // 用来让主线程等待100个子线程执行完毕
   CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(100);
   // 启动100个子线程
   for(int i=0;i<100;i++){
       SampleTask task = new SampleTask(data,countDownLatch);
       Thread thread = new Thread(task);
       thread.start();
   }
   try{
       // 主线程等待所有子线程执行完成，再向下执行
       countDownLatch.await();
   }catch (InterruptedException e){
       e.printStackTrace();
   }
   // List的size
   System.out.println(data.size());
  }
  }
  class SampleTask implements Runnable {
  CountDownLatch countDownLatch;
  List<String> data;
  public SampleTask(List<String> data,CountDownLatch countDownLatch){
     this.data = data;
     this.countDownLatch = countDownLatch;
  }
  @Override
  public void run() {
     // 每个线程向List中添加100个元素
     for(int i = 0; i < 100; i++)
     {
         data.add("1");
     }
     // 完成一个子线程
     countDownLatch.countDown();
  }
  }

  7次测试输出()：

  10000
  10000
  10000
  10000
  10000
  10000
  10000

• 使用synchronized关键字来同步ArrayList：

  public class Test {
  
  public static void main(String [] args){
   // 用来测试的List
   List<String> data = new ArrayList<>();
   // 用来让主线程等待100个子线程执行完毕
   CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(100);
   // 启动100个子线程
   for(int i=0;i<100;i++){
       SampleTask task = new SampleTask(data,countDownLatch);
       Thread thread = new Thread(task);
       thread.start();
   }
   try{
       // 主线程等待所有子线程执行完成，再向下执行
       countDownLatch.await();
   }catch (InterruptedException e){
       e.printStackTrace();
   }
   // List的size
   System.out.println(data.size());
  }
  }
  class SampleTask implements Runnable {
  CountDownLatch countDownLatch;
  List<String> data;
  public SampleTask(List<String> data,CountDownLatch countDownLatch){
     this.data = data;
     this.countDownLatch = countDownLatch;
  }
  @Override
  public void run() {
     // 每个线程向List中添加100个元素
     for(int i = 0; i < 100; i++)
     {
         synchronized(data){
             data.add("1");
         }
     }
     // 完成一个子线程
     countDownLatch.countDown();
  }
  }

  7次测试输出()：

  10000
  10000
  10000
  10000
  10000
  10000
  10000

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3、原因分析

• ArrayList在添加一个元素的时候，它会有两步来完成：1. 在 Items[Size] 的位置存放此元素；2. 增大 Size 的值。
  在单线程运行的情况下，如果 Size = 0，添加一个元素后，此元素在位置 0，而且 Size=1；
  而如果是在多线程情况下，比如有两个线程，线程
  A 先将元素1存放在位置 0。但是此时 CPU 调度线程A暂停，线程 B 得到运行的机会。线程B向此 ArrayList 添加元素2，因为此时
  Size 仍然等于 0
  （注意，我们假设的是添加一个元素是要两个步骤，而线程A仅仅完成了步骤1），所以线程B也将元素存放在位置0。然后线程A和线程B都继续运行，都增加
  Size 的值，结果Size都等于1。
  最后，ArrayList中期望的元素应该有2个，而实际元素是在0位置，造成丢失元素，故Size 等于1。导致“线程不安全”。
  ArrayList源码：

  @Override public boolean add(E object) {
        Object[] a = array;
        int s = size;
        if (s == a.length) {
            Object[] newArray = new Object[s +
                    (s < (MIN_CAPACITY_INCREMENT / 2) ?
                     MIN_CAPACITY_INCREMENT : s >> 1)];
            System.arraycopy(a, 0, newArray, 0, s);
            array = a = newArray;
        }
        a[s] = object;
        size = s + 1;
        modCount++;
        return true;
    }

• Vector的所有操作方法都被同步了，既然被同步了，多个线程就不可能同时访问vector中的数据，只能一个一个地访问，所以不会出现数据混乱的情况，所以是线程安全的。
  Vector源码：

  @Override
    public synchronized boolean add(E object) {
        if (elementCount == elementData.length) {
            growByOne();
        }
        elementData[elementCount++] = object;
        modCount++;
        return true;
    }

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4、线程安全的集合并不安全

分析以下场景：

synchronized(map){
Object value = map.get(key);
if(value == null)
{
    value = new Object();
    map.put(key,value);
}
return value;}

由于线程安全的集合对象是基于单个方法的同步，所以即使map是线程安全的，也会产生不同步现象。
在非单个方法的场景下，我们仍然需要使用synchronized加锁才能保证对象的同步。

代码测试：

public class Test {

  public static void main(String [] args){
      // 用来测试的List
      List<String> data = new Vector<>();
      // 用来让主线程等待100个子线程执行完毕
      CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(100);
      // 启动100个子线程
      for(int i=0;i<1000;i++){
          SampleTask task = new SampleTask(data,countDownLatch);
          Thread thread = new Thread(task);
          thread.start();
      }
      try{
          // 主线程等待所有子线程执行完成，再向下执行
          countDownLatch.await();
      }catch (InterruptedException e){
          e.printStackTrace();
      }
      // List的size
      System.out.println(data.size());
  }
}
class SampleTask implements Runnable {
    CountDownLatch countDownLatch;
    List<String> data;
    public SampleTask(List<String> data,CountDownLatch countDownLatch){
        this.data = data;
        this.countDownLatch = countDownLatch;
    }
    @Override
    public void run() {
        // 每个线程向List中添加100个元素
        int size = data.size();
        data.add(size,"1");
        // 完成一个子线程
        countDownLatch.countDown();
    }
}

997
993
995
996
997
998
997

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5、总结

• 如何取舍
  线程安全必须要使用synchronized关键字来同步控制，所以会导致性能的降低。
  当不需要线程安全时，可以选择ArrayList，避免方法同步产生的开销；
  当多个线程操作同一个对象时，可以选择线程安全的Vector；
• 线程不安全!=不安全
  有人在使用过程中有一个不正确的观点：我的程序是多线程的，不能使用ArrayList要使用Vector，这样才安全。
  线程不安全并不是多线程环境下就不能使用。
  注意线程不安全条件：多线程操作同一个对象。比如上述代码就是在多个线程操作同一个ArrayList对象。
  如果每个线程中new一个ArrayList，而这个ArrayList只在这一个线程中使用，那么是没问题的。
• 线程‘安全’的集合对象
  较复杂的操作下，线程安全的集合对象也无法保证数据的同步，仍然需要我们来处理。