08 Java 集合的线程安全问题

1 Java中的集合

Java中的集合分为同步的集合(线程安全)和线程不安全的集合 例如 :

ArrayList和Vector的区别：

一.同步性:Vector是线程安全的，也就是说是同步的，而ArrayList是线程序不安全的，不是同步的

二.数据增长:当需要增长时,Vector默认增长为原来一倍，而ArrayList默认增长为原来的1.5倍

HashMap和Hashtable的区别  
一.历史原因:Hashtable是基于陈旧的Dictionary类的，HashMap是Java 1.2引进的Map接口的一个实现

二.同步性:Hashtable是线程安全的，也就是说是同步的，效率低一些；而HashMap是线程序不安全的，不是同步的
效率高

三.值： HashMap允许1个key为null 多个value为null  Hashtable key value都不能为null

在Java的集合容器框架中，主要有四大类别：List、Set、Queue、Map。

List、Set、Queue接口分别继承了Collection接口，Map本身是一个接口。

注意Collection和Map是一个顶层接口，而List、Set、Queue则继承了Collection接口，分别代表数组、集合和队列这三大类容器。

像ArrayList、LinkedList都是实现了List接口，HashSet实现了Set接口，而Deque（双向队列，允许在队首、队尾进行入队和出队操作）继承了Queue接口，PriorityQueue实现了Queue接口。

另外LinkedList（实际上是双向链表）实现了了Deque接口。

像ArrayList、LinkedList、HashMap这些容器都是非线程安全的。

如果有多个线程并发地访问这些容器时，就会出现问题。

因此，在编写程序时，必须要求程序员手动地在任何访问到这些容器的地方进行同步处理，这样导致在使用这些容器的时候非常地不方便。

所以，Java提供了同步容器供用户使用。

在Java中，同步容器主要包括2类：

　　1）Vector、Stack、HashTable

Vector实现了List接口，Vector实际上就是一个数组，和ArrayList类似，但是Vector中的方法都是synchronized方法，即进行了同步措施。

　　Stack也是一个同步容器，它的方法也用synchronized进行了同步，它实际上是继承于Vector类。

　　HashTable实现了Map接口，它和HashMap很相似，但是HashTable进行了同步处理，而HashMap没有。

关于HashMap可以参见  HashMap源码解析

　　2）Collections类中提供的静态工厂方法创建的类

Collections类是一个工具提供类，注意，它和Collection不同，Collection是一个顶层的接口。在Collections类中提供了大量的方法，

比如对集合或者容器进行排序、查找等操作。最重要的是，在它里面提供了几个静态工厂方法来创建同步容器类，如下图所示：

这里面的采用了装饰模式<装饰模式>的思想，以synchronizedMap(Map<K,V> m)为例：

     public static <K,V> Map<K,V> synchronizedMap(Map<K,V> m) {
         return new SynchronizedMap<K,V>(m);
     }

他返回了类型为SynchronizedMap的实例，而SynchronizedMap是COllections的一个内部类，他对原来对象的方法加上了synchronized关键字：

  private static class SynchronizedMap<K,V> implements Map<K,V>, Serializable {//继承目标对象的类型

     private static final long serialVersionUID = 1978198479659022715L;

     private final Map<K,V> m;       // 被装饰的对象
     final  Object  mutex;           // 公共的锁

     SynchronizedMap(Map<K,V> m) {
             if (m==null)
                 throw new NullPointerException();
             this.m = m;
             mutex = this;
         }

     SynchronizedMap(Map<K,V> m, Object mutex) {
             this.m = m;
             this.mutex = mutex;
     }

     public int size() {
         synchronized(mutex) {return m.size();}  //使用synchronized对目标对象的方法进行增强
     }
     public boolean isEmpty(){
         synchronized(mutex) {return m.isEmpty();}
     }

     public V get(Object key) {
         synchronized(mutex) {return m.get(key);}
     }

     public V put(K key, V value) {
         synchronized(mutex) {return m.put(key, value);}
     }
    //... ...
  }

二 并发容器的问题

从同步容器的具体实现源码可知，同步容器中的方法采用了synchronized进行了同步，那么很显然，这必然会影响到执行性能，

另外，同步容器就一定是真正地完全线程安全吗？

1 传统的非同步容器和同步容器的性能差异，我们以ArrayList和Vector为例：

  public class Test {
      public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
          ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
          Vector<Integer> vector = new Vector<Integer>();
          long start = System.currentTimeMillis();
          for(int i=;i<;i++)
              list.add(i);
          long end = System.currentTimeMillis();
          System.out.println("ArrayList进行100000次插入操作耗时："+(end-start)+"ms");
         start = System.currentTimeMillis();
         for(int i=;i<;i++)
             vector.add(i);
         end = System.currentTimeMillis();
         System.out.println("Vector进行100000次插入操作耗时："+(end-start)+"ms");
     }
 }

进行同样多的插入操作，Vector的耗时是ArrayList的两倍。　这只是其中的一方面性能问题上的反映。

另外，由于Vector中的add方法和get方法都进行了同步，因此，在有多个线程进行访问时，如果多个线程都只是进行读取操作，

那么每个时刻就只能有一个线程进行读取，其他线程便只能等待，这些线程必须竞争同一把锁。

因此为了解决同步容器的性能问题，在Java 1.5中提供了并发容器，位于java.util.concurrent目录下

2.同步容器真的是安全的吗？

也有有人认为Vector中的方法都进行了同步处理，那么一定就是线程安全的，事实上这可不一定。看下面这段代码：

 public class Test {
     static Vector<Integer> vector = new Vector<Integer>();
     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
         while(true) {
             for(int i=;i<;i++)
                 vector.add(i);
             Thread thread1 = new Thread(){
                 public void run() {
                     for(int i=;i<vector.size();i++)
                         vector.remove(i);
                 };
             };
             Thread thread2 = new Thread(){
                 public void run() {
                     for(int i=;i<vector.size();i++)
                         vector.get(i);
                 };
             };
             thread1.start();
             thread2.start();
             while(Thread.activeCount()>)   {

             }
         }
     }
 }

正如大家所看到的，这段代码报错了：数组下标越界。

Vector是线程安全的，为什么还会报这个错？很简单，对于Vector，虽然能保证每一个时刻只能有一个线程访问它，但是不排除这种可能：

当某个线程在某个时刻执行这句时：

for(int i=0;i<vector.size();i++)
    vector.get(i);

 

　假若此时vector的size方法返回的是10，i的值为9

　然后另外一个线程执行了这句：

for(int i=0;i<vector.size();i++)

    vector.remove(i);

将下标为9的元素删除了。

那么通过get方法访问下标为9的元素肯定就会出问题了。

因此为了保证线程安全，必须在方法调用端做额外的同步措施，如下面所示：

 public class Test {
     static Vector<Integer> vector = new Vector<Integer>();
     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
         while(true) {
             for(int i=;i<;i++)
                 vector.add(i);
             Thread thread1 = new Thread(){
                 public void run() {
                     synchronized (Test.class) {   //进行额外的同步
                         for(int i=;i<vector.size();i++)
                             vector.remove(i);
                     }
                 };
             };
             Thread thread2 = new Thread(){
                 public void run() {
                     synchronized (Test.class) {
                         for(int i=;i<vector.size();i++)
                             vector.get(i);
                     }
                 };
             };
             thread1.start();
             thread2.start();
             while(Thread.activeCount()>)   {

             }
         }
     }
 }

3. ConcurrentModificationException异常

　　在对Vector等容器并发地进行迭代修改时，会报ConcurrentModificationException异常，关于这个异常将会在后续文章中讲述。

　　但是在并发容器中不会出现这个问题。

注意：

当使用Iterator对集合元素进行迭代时，Iterator并不是把集合元素本身传给迭代变量，而是把集合元素的值传给了迭代变量。

所以迭代过程中修改了值 并不会影响到集合里的元素

当使用Iterator来访问Collection集合元素时，只有通过Iterator的remove方法删除（it.remove();）上一次next方法返回的集合元素。

如果通过集合方法删除 会引发java.util.ConcurrentModificationExcption异常。

----在使用迭代器遍历时不能够通过集合直接修改元素  而应该借助迭代器提供的方法

ConcurrentModificationException：

例如，某个线程在 Collection 上进行迭代时，通常不允许另一个线性修改该 Collection。

通常在这些情况下，迭代的结果是不确定的。如果检测到这种行为，一些迭代器实现（包括 JRE 提供的所有通用 collection 实现）可能选择抛出此异常。

执行该操作的迭代器称为快速失败 迭代器，因为迭代器很快就完全失败，而不会冒着在将来某个时间任意发生不确定行为的风险。

注意，此异常不会始终指出对象已经由不同 线程并发修改。如果单线程发出违反对象协定的方法调用序列，则该对象可能抛出此异常。

例如，如果线程使用快速失败迭代器在 collection 上迭代时直接修改该 collection，则迭代器将抛出此异常。