來(lái)源 | 悟空聊架構(gòu)

本篇主要內(nèi)容如下：

本篇主要內(nèi)容

本篇所有示例代碼已更新到 我的Github

本篇文章已收納到我的Java在線文檔

線程不安全之ArrayList

集合框架有Map和Collection兩大類，Collection下面有List、Set、Queue。List 下面有 ArrayList、Vector、LinkedList。如下圖所示：

集合框架思維導(dǎo)圖

JUC并發(fā)包下的集合類Collections有Queue、CopyOnWriteArrayList、CopyOnWriteArraySet、ConcurrentMap

JUC包下的Collections

我們先來(lái)看看 ArrayList。

1.1、ArrayList 的底層初始化操作

首先我們來(lái)復(fù)習(xí)下ArrayList的使用，下面是初始化一個(gè)ArrayList，數(shù)組存放的是 Integer 類型的值。

new?ArrayList<Integer>();

那么底層做了什么操作呢？

1.2、ArrayList 的底層原理

1.2.1 初始化數(shù)組

/***?Constructs?an?empty?list?with?an?initial?capacity?of?ten.*/ public?ArrayList()?{this.elementData?=?DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA; }

創(chuàng)建了一個(gè)空數(shù)組，容量為0，根據(jù)官方的英文注釋，這里容量應(yīng)該為10，但其實(shí)是0，后續(xù)會(huì)講到為什么不是10。

1.2.2?ArrayList 的 add 操作

public?boolean?add(E?e)?{ensureCapacityInternal(size?+?1);??//?Increments?modCount!!elementData[size++]?=?e;return?true; }

重點(diǎn)是這一步：elementData[size++] = e; size++ 和 elementData[xx]=e，這兩個(gè)操作都不是原子操作（不可分割的一個(gè)或一系列操作，要么都成功執(zhí)行，要么都不執(zhí)行）。

1.2.3?ArrayList 擴(kuò)容源碼解析

（1）執(zhí)行 add 操作時(shí)，會(huì)先確認(rèn)是否超過(guò)數(shù)組大小。

ensureCapacityInternal(size?+?1);

ensureCapacityInternal方法

（2）計(jì)算數(shù)組的當(dāng)前容量 calculateCapacity。

private?void?ensureCapacityInternal(int?minCapacity)?{ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData,?minCapacity)); }

minCapacity : 值為1

elementData：代表當(dāng)前數(shù)組

我們先看 ensureCapacityInternal 調(diào)用的 ensureCapacityInternal 方法：

calculateCapacity(elementData,?minCapacity)

calculateCapacity方法如下：

private?static?int?calculateCapacity(Object[]?elementData,?int?minCapacity)?{if?(elementData?==?DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)?{return?Math.max(DEFAULT_CAPACITY,?minCapacity);}return?minCapacity; }

elementData：代表當(dāng)前數(shù)組，添加第一個(gè)元素時(shí)，elementData 等于DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA（空數(shù)組）。

minCapacity：等于1

DEFAULT_CAPACITY：等于10

返回 Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity) = 10。

小結(jié)：所以第一次添加元素時(shí)，計(jì)算數(shù)組的大小為10。

（3）確定當(dāng)前容量 ensureExplicitCapacity。

ensureExplicitCapacity方法

minCapacity = 10

elementData.length=0

小結(jié)：因minCapacity > elementData.length，所以進(jìn)行第一次擴(kuò)容，調(diào)用grow()方法從0擴(kuò)大到10。

（4）調(diào)用 grow 方法。

grow方法

oldCapacity=0，newCapacity=10。

然后執(zhí)行 elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);

將當(dāng)前數(shù)組和容量大小進(jìn)行數(shù)組拷貝操作，賦值給elementData。數(shù)組的容量設(shè)置為10。

elementData的值和DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA的值將會(huì)不一樣。

（5）然后將元素賦值給數(shù)組第一個(gè)元素，且size自增1。

elementData[size++]?=?e;

（6）添加第二個(gè)元素時(shí)，傳給ensureCapacityInternal的是2。

ensureCapacityInternal(size?+?1)

size=1，size+1=2

（7）第二次添加元素時(shí)，執(zhí)行 calculateCapacity。

mark

elementData的值和DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA的值不相等，所以直接返回2。

（8）第二次添加元素時(shí)，執(zhí)行 ensureExplicitCapacity。

因minCapacity等于2，小于當(dāng)前數(shù)組的長(zhǎng)度10，所以不進(jìn)行擴(kuò)容，不執(zhí)行g(shù)row方法。

mark

（9）將第二個(gè)元素添加到數(shù)組中，size自增1。

elementData[size++]?=?e

（10）當(dāng)添加第11個(gè)元素時(shí)調(diào)用grow方法進(jìn)行擴(kuò)容。

mark

minCapacity=11， elementData.length=10，調(diào)用grow方法。

（11）擴(kuò)容1.5倍。

int?newCapacity?=?oldCapacity?+?(oldCapacity?>>?1);

oldCapacity=10，先換算成二級(jí)制1010，然后右移一位，變成0101，對(duì)應(yīng)十進(jìn)制5，所以newCapacity=10+5=15，擴(kuò)容1.5倍后是15。

擴(kuò)容1.5倍

（12）小結(jié)

• 1.ArrayList初始化為一個(gè)空數(shù)組。

• 2.ArrayList的Add操作不是線程安全的。

• 3.ArrayList添加第一個(gè)元素時(shí)，數(shù)組的容量設(shè)置為10。

• 4.當(dāng)ArrayList數(shù)組超過(guò)當(dāng)前容量時(shí)，擴(kuò)容至1.5倍（遇到計(jì)算結(jié)果為小數(shù)的，向下取整），第一次擴(kuò)容后，容量為15，第二次擴(kuò)容至22...

• 5.ArrayList在第一次和擴(kuò)容后都會(huì)對(duì)數(shù)組進(jìn)行拷貝，調(diào)用Arrays.copyOf方法。

1.3、ArrayList單線程環(huán)境是否安全？

場(chǎng)景：

我們通過(guò)一個(gè)添加積木的例子來(lái)說(shuō)明單線程下ArrayList是線程安全的。

將 積木 三角形A、四邊形B、五邊形C、六邊形D、五角星E依次添加到一個(gè)盒子中，盒子中共有5個(gè)方格，每一個(gè)方格可以放一個(gè)積木。

ArrayList單線程下添加元素

代碼實(shí)現(xiàn)：

（1）這次我們用新的積木類 BuildingBlockWithName

這個(gè)積木類可以傳形狀shape和名字name：

/***?積木類*?@author:?悟空聊架構(gòu)*?@create:?2020-08-27*/ class?BuildingBlockWithName?{String?shape;String?name;public?BuildingBlockWithName(String?shape,?String?name)?{this.shape?=?shape;this.name?=?name;}@Overridepublic?String?toString()?{return?"BuildingBlockWithName{"?+?"shape='"?+?shape?+?",name="?+?name?+'}';} }

（2）初始化一個(gè)ArrayList

ArrayList<BuildingBlock>?arrayList?=?new?ArrayList<>();

（3）依次添加三角形A、四邊形B、五邊形C、六邊形D、五角星E。

arrayList.add(new?BuildingBlockWithName("三角形",?"A")); arrayList.add(new?BuildingBlockWithName("四邊形",?"B")); arrayList.add(new?BuildingBlockWithName("五邊形",?"C")); arrayList.add(new?BuildingBlockWithName("六邊形",?"D")); arrayList.add(new?BuildingBlockWithName("五角星",?"E"));

（4）驗(yàn)證arrayList中元素的內(nèi)容和順序是否和添加的一致：

BuildingBlockWithName{shape='三角形,name=A} BuildingBlockWithName{shape='四邊形,name=B} BuildingBlockWithName{shape='五邊形,name=C} BuildingBlockWithName{shape='六邊形,name=D} BuildingBlockWithName{shape='五角星,name=E}

我們看到結(jié)果確實(shí)是一致的。

小結(jié)：單線程環(huán)境中，ArrayList是線程安全的。

1.4、多線程下ArrayList是不安全的

場(chǎng)景如下：20個(gè)線程隨機(jī)往ArrayList添加一個(gè)任意形狀的積木。

多線程場(chǎng)景往數(shù)組存放元素

（1）代碼實(shí)現(xiàn)：20個(gè)線程往數(shù)組中隨機(jī)存放一個(gè)積木。

多線程下ArrayList是不安全的

（2）打印結(jié)果：程序開(kāi)始運(yùn)行后，每個(gè)線程只存放一個(gè)隨機(jī)的積木。

打印結(jié)果

數(shù)組中會(huì)不斷存放積木，多個(gè)線程會(huì)爭(zhēng)搶數(shù)組的存放資格，在存放過(guò)程中，會(huì)拋出一個(gè)異常: ConcurrentModificationException（并行修改異常）。

Exception?in?thread?"10"?Exception?in?thread?"13"?java.util.ConcurrentModificationException

mark

這個(gè)就是常見(jiàn)的并發(fā)異常：java.util.ConcurrentModificationException

1.5 那如何解決 ArrayList 線程不安全問(wèn)題呢？

有如下方案：

• 用Vector代替ArrayList

• 用Collections.synchronized(new ArrayList<>())

• CopyOnWriteArrayList

1.6 Vector 是保證線程安全的？

下面就來(lái)分析vector的源碼。

1.6.1 初始化 Vector

初始化容量為10

public?Vector()?{this(10); }

1.6.2 Add 操作是線程安全的

Add方法加了synchronized，來(lái)保證add操作是線程安全的（保證可見(jiàn)性、原子性、有序性），對(duì)這幾個(gè)概念有不懂的可以看下之前的寫的文章-》 反制面試官 | 14張?jiān)韴D | 再也不怕被問(wèn) volatile!

Add方法加了synchronized

1.6.3 Vector 擴(kuò)容至2倍

int?newCapacity?=?oldCapacity?+?((capacityIncrement?>?0)???capacityIncrement?:?oldCapacity);

容量擴(kuò)容至2倍

注意：capacityIncrement 在初始化的時(shí)候可以傳值，不傳則默認(rèn)為0。如果傳了，則第一次擴(kuò)容時(shí)為設(shè)置的oldCapacity+capacityIncrement，第二次擴(kuò)容時(shí)擴(kuò)大1倍。

缺點(diǎn)：雖然保證了線程安全，但因?yàn)榧恿伺懦怄isynchronized，會(huì)造成阻塞，所以性能降低。

1.6.4 用積木模擬Vector的add操作

vector的add操作

當(dāng)往vector存放元素時(shí)，給盒子加了一個(gè)鎖，只有一個(gè)人可以存放積木，放完后，釋放鎖，放第二元素時(shí)，再進(jìn)行加鎖，依次往復(fù)進(jìn)行。

1.7 使用 Collections.synchronizedList 保證線程安全

我們可以使用Collections.synchronizedList方法來(lái)封裝一個(gè)ArrayList。

List<Object>?arrayList?=?Collections.synchronizedList(new?ArrayList<>());

為什么這樣封裝后，就是線程安全的？

源碼解析：因?yàn)镃ollections.synchronizedList封裝后的list，list的所有操作方法都是帶synchronized關(guān)鍵字的（除iterator()之外），相當(dāng)于所有操作都會(huì)進(jìn)行加鎖，所以使用它是線程安全的（除迭代數(shù)組之外）。

加鎖

mark

注意：當(dāng)?shù)鷶?shù)組時(shí)，需要手動(dòng)做同步。官方示例如下：

synchronized?(list)?{Iterator?i?=?list.iterator();?//?Must?be?in?synchronized?blockwhile?(i.hasNext())foo(i.next()); }

1.8 使用 CopyOnWriteArrayList 保證線程安全

1.8.1 CopyOnWriteArrayList思想

• Copy on write：寫時(shí)復(fù)制，一種讀寫分離的思想。

• 寫操作：添加元素時(shí)，不直接往當(dāng)前容器添加，而是先拷貝一份數(shù)組，在新的數(shù)組中添加元素后，在將原容器的引用指向新的容器。因?yàn)閿?shù)組時(shí)用volatile關(guān)鍵字修飾的，所以當(dāng)array重新賦值后，其他線程可以立即知道（volatile的可見(jiàn)性）。

• 讀操作：讀取數(shù)組時(shí)，讀老的數(shù)組，不需要加鎖。

• 讀寫分離：寫操作是copy了一份新的數(shù)組進(jìn)行寫，讀操作是讀老的數(shù)組，所以是讀寫分離。

1.8.2 使用方式

CopyOnWriteArrayList<BuildingBlockWithName>?arrayList?=?new?CopyOnWriteArrayList<>();

1.8.3 底層源碼分析

CopyOnWriteArrayList的add方法分析

add的流程：

• 先定義了一個(gè)可重入鎖 ReentrantLock。

• 添加元素前，先獲取鎖lock.lock()。

• 添加元素時(shí)，先拷貝當(dāng)前數(shù)組 Arrays.copyOf。

• 添加元素時(shí)，擴(kuò)容+1（len + 1）。

• 添加元素后，將數(shù)組引用指向新加了元素后的數(shù)組setArray(newElements)。

為什么數(shù)組重新賦值后，其他線程可以立即知道？

因?yàn)檫@里的數(shù)組是用volatile修飾的，哇，又是volatile，這個(gè)關(guān)鍵字真妙^_^

?private?transient?volatile?Object[]?array;

1.8.4 ReentrantLock 和synchronized的區(qū)別

劃重點(diǎn)

相同點(diǎn)：

• 1.都是用來(lái)協(xié)調(diào)多線程對(duì)共享對(duì)象、變量的訪問(wèn)。

• 2.都是可重入鎖，同一線程可以多次獲得同一個(gè)鎖。

• 3.都保證了可見(jiàn)性和互斥性。

不同點(diǎn)：

• 1.ReentrantLock 顯示的獲得、釋放鎖， synchronized 隱式獲得釋放鎖。

• 2.ReentrantLock 可響應(yīng)中斷， synchronized 是不可以響應(yīng)中斷的，為處理鎖的不可用性提供了更高的靈活性。

• 3.ReentrantLock 是 API 級(jí)別的， synchronized 是 JVM 級(jí)別的。

• 4.ReentrantLock 可以實(shí)現(xiàn)公平鎖、非公平鎖。

• 5.ReentrantLock 通過(guò) Condition 可以綁定多個(gè)條件。

• 6.底層實(shí)現(xiàn)不一樣， synchronized 是同步阻塞，使用的是悲觀并發(fā)策略， lock 是同步非阻塞，采用的是樂(lè)觀并發(fā)策略。

1.8.5 Lock和synchronized的區(qū)別

• 1.Lock需要手動(dòng)獲取鎖和釋放鎖。就好比自動(dòng)擋和手動(dòng)擋的區(qū)別。

• 2.Lock 是一個(gè)接口，而 synchronized 是 Java 中的關(guān)鍵字， synchronized 是內(nèi)置的語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。

• 3.synchronized 在發(fā)生異常時(shí)，會(huì)自動(dòng)釋放線程占有的鎖，因此不會(huì)導(dǎo)致死鎖現(xiàn)象發(fā)生；而 Lock 在發(fā)生異常時(shí)，如果沒(méi)有主動(dòng)通過(guò) unLock()去釋放鎖，則很可能造成死鎖現(xiàn)象，因此使用 Lock 時(shí)需要在 finally 塊中釋放鎖。

• 4.Lock 可以讓等待鎖的線程響應(yīng)中斷，而 synchronized 卻不行，使用 synchronized 時(shí)，等待的線程會(huì)一直等待下去，不能夠響應(yīng)中斷。

• 5.通過(guò) Lock 可以知道有沒(méi)有成功獲取鎖，而 synchronized 卻無(wú)法辦到。

• 6.Lock 可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)讀寫鎖提高多個(gè)線程進(jìn)行讀操作的效率。

線程不安全之 HashSet

有了前面大篇幅的講解 ArrayList 的線程不安全，以及如何使用其他方式來(lái)保證線程安全，現(xiàn)在講HashSet應(yīng)該更容易理解一些。

2.1 HashSet的用法

用法如下：

?Set<BuildingBlockWithName>?Set?=?new?HashSet<>(); set.add("a");

初始容量=10，負(fù)載因子=0.75（當(dāng)元素個(gè)數(shù)達(dá)到容量的75%，啟動(dòng)擴(kuò)容）

2.2 HashSet的底層原理

?public?HashSet()?{map?=?new?HashMap<>(); }

底層用的還是HashMap()。

考點(diǎn)：為什么HashSet的add操作只用傳一個(gè)參數(shù)（value)，而HashMap需要傳兩個(gè)參數(shù)（key和value)？

2.3 HashSet的add操作

private?static?final?Object?PRESENT?=?new?Object();public?boolean?add(E?e)?{return?map.put(e,?PRESENT)==null; }

考點(diǎn)回答：?因?yàn)镠ashSet的add操作中，key等于傳的value值，而value是PRESENT，PRESENT是new Object();，所以傳給map的是 key=e, ?value=new Object。Hash只關(guān)心key，不考慮value。

為什么HashSet不安全：底層add操作不保證可見(jiàn)性、原子性。所以不是線程安全的。

2.4 如何保證線程安全

1.使用 Collections.synchronizedSet

Set<BuildingBlockWithName>?set?=?Collections.synchronizedSet(new?HashSet<>());

2.使用 CopyOnWriteArraySet

CopyOnWriteArraySet<BuildingBlockWithName>?set?=?new?CopyOnWriteArraySet<>();

2.5 CopyOnWriteArraySet 的底層還是使用的是 CopyOnWriteArrayList

public?CopyOnWriteArraySet()?{al?=?new?CopyOnWriteArrayList<E>(); }

線程不安全之HashMap

3.1 HashMap 的使用

同理，HashMap和HashSet一樣，在多線程環(huán)境下也是線程不安全的。

Map<String,?BuildingBlockWithName>?map?=?new?HashMap<>(); map.put("A",?new?BuildingBlockWithName("三角形",?"A"));

3.2 HashMap線程不安全解決方案：

• 1.Collections.synchronizedMap

Map<String,?BuildingBlockWithName>?map2?=?Collections.synchronizedMap(new?HashMap<>());?

• 2.ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap<String,?BuildingBlockWithName>?set3?=?new?ConcurrentHashMap<>();

3.3 ConcurrentHashMap原理

ConcurrentHashMap，它內(nèi)部細(xì)分了若干個(gè)小的 HashMap，稱之為段(Segment)。默認(rèn)情況下一個(gè) ConcurrentHashMap 被進(jìn)一步細(xì)分為 16 個(gè)段，既就是鎖的并發(fā)度。如果需要在 ConcurrentHashMap 中添加一個(gè)新的表項(xiàng)，并不是將整個(gè) HashMap 加鎖，而是首先根據(jù) hashcode 得到該表項(xiàng)應(yīng)該存放在哪個(gè)段中，然后對(duì)該段加鎖，并完成 put 操作。在多線程環(huán)境中，如果多個(gè)線程同時(shí)進(jìn)行put操作，只要被加入的表項(xiàng)不存放在同一個(gè)段中，則線程間可以做到真正的并行。

其他的集合類

LinkedList: 線程不安全，同ArrayListTreeSet：線程不安全，同HashSetLinkedHashSet：線程不安全，同HashSetTreeMap：同HashMap，線程不安全；HashTable：線程安全。

總結(jié)

本篇第一個(gè)部分詳細(xì)講述了ArrayList集合的底層擴(kuò)容原理，演示了ArrayList的線程不安全會(huì)導(dǎo)致拋出并發(fā)修改異常。然后通過(guò)源碼解析的方式講解了三種方式來(lái)保證線程安全：

• Vector是通過(guò)在add等方法前加synchronized來(lái)保證線程安全。

• Collections.synchronized()是通過(guò)包裝數(shù)組，在數(shù)組的操作方法前加synchronized來(lái)保證線程安全。

• CopyOnWriteArrayList通過(guò)寫時(shí)復(fù)制來(lái)保證線程安全的。

第二部分講解了HashSet的線程不安全性，通過(guò)兩種方式保證線程安全：

• Collections.synchronizedSet

• CopyOnWriteArraySet

第三部分講解了HashMap的線程不安全性，通過(guò)兩種方式保證線程安全：

• Collections.synchronizedMap

• ConcurrentHashMap

另外在講解的過(guò)程中，也詳細(xì)對(duì)比了ReentrantLock和synchronized及Lock和synchronized的區(qū)別。

彩蛋：聰明的你，一定發(fā)現(xiàn)集合里面還漏掉了一個(gè)重要的東西：那就是Queue。期待后續(xù)么？

更多閱讀推薦

• 云起云涌：PaaS 體系架構(gòu)與運(yùn)維系統(tǒng)上云實(shí)踐

• 該買哪家二手手機(jī)呢？程序員爬取京東告訴你

• 17 年安全界老兵，專注打造容器安全能行嗎？

• 字節(jié)跳動(dòng)斬獲支付牌照欲建金融帝國(guó)，技術(shù)實(shí)力配得上野心嗎？

• 騰訊微博即將關(guān)停，十年了，你用過(guò)嗎？

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的超详细 | 21张图带你领略集合的线程不安全的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

如果覺(jué)得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。