目录
1、前言
2、并发下的ArrayList
2.1、传统方式
2.1.1、程序正常运行
2.1.2、程序异常
2.1.3、运行期望值不符
2.2、加锁
2.3、synchronizedList
2.4、CopyOnWriteArrayList
3、并发下的HashSet
3.1、CopyOnWriteArraySet
3.2、HashSet底层是什么?
4、并发下的HashMap
4.1、传统方式
4.2、ConcurrentHashMap
4.3、ConcurrentHashMap底层结构
5、小结
1、前言
我们直到ArrayList,HashMap等是线程不安全的容器。但是我们通常会频繁的在JUC中使用集合类,那么应该如何确保线程安全?
2、并发下的ArrayList
2.1、传统方式
如果在JUC中直接使用ArrayList,可能会引发一系列问题。先来看一段代码:
public class ArrayListTest {
// 创建一个集合类
static List<Integer> list = new ArrayList<>(10);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 这里执行10次,对比10次结果
for (int i = 0; i < 10; i++) {
// 每次执行前将list清空
list.clear();
// 创建两个线程,分别往list里面存放数据,每个线程存放10000个
Thread thread1 = new Thread(new MyThread());
Thread thread2 = new Thread(new MyThread());
thread1.start();
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
// 当两个线程执行完毕后,期望值应该是list会扩容到20000个,并且打印list.sizes()=20000
System.out.println("最终集合数量:" + list.size());
}
}
// 操作集合list线程
static class MyThread implements Runnable {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
list.add(i);
}
}
}
}
执行结果:
我们看到执行了10次,居然会出现3种不同的结果。
2.1.1、程序正常运行
从上述的运行结果可以看出,运行10次,有概率出现程序正常运行,也得到了期望的20000这个数值。这说明在JUC中使用ArrayList集合,有概率成功,并不一定每次都会出现问题。
2.1.2、程序异常
可以看到上面其中一次运行结果出现了报错,抛出了ArrayIndexOutOfBoundsException异常。这是因为ArrayList我们设置初始容量为10,在多线程操作中要进行扩容。而在扩容过程中,内部的一致性被破坏,由于没有锁机制,另外一个线程访问到了不一致的内部状态,导致数组越界。
2.1.3、运行期望值不符
相比上面程序异常,程序异常会显式抛出异常信息,还相对容易排查。而这个问题较为隐蔽,从执行结果来看,大部分都是这个问题。也就是运行结果并不是我们所期望的结果。JUC学到这里,应该多少都直到这个就是典型的线程不安全导致的结果。由于多线程访问冲突,使得list容器大小的变量被多线程不正常访问,两个线程对list中的同一个位置进行赋值导致的。
2.2、加锁
上面说到list没有锁机制,出现了多线程问题。那么要解决此类问题,肯定是直接加锁, 我们顺便把集合数量改大点。改造后代码:
public class ArrayListTest {
// 创建一个集合类
static List<Integer> list = new ArrayList<>(10);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 这里执行10次,对比10次结果
for (int i = 0; i < 10; i++) {
// 每次执行前将list清空
list.clear();
// 创建两个线程,分别往list里面存放数据,每个线程存放1000000个
Thread thread1 = new Thread(new MyThread());
Thread thread2 = new Thread(new MyThread());
thread1.start();
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
// 当两个线程执行完毕后,期望值应该是list会扩容到2000000个,并且打印list.sizes()=2000000
System.out.println("最终集合数量:" + list.size());
}
}
// 操作集合list线程
static class MyThread implements Runnable {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
synchronized (list) {
list.add(i);
}
}
}
}
}
运行结果:
说明线程安全问题被解决。
2.3、synchronizedList
相比上面直接加synchronized方法的解决方式,JDK提供了一种自带synchronized的集合,来保证线程安全。如vector也是如此。
改造代码:
public class ArrayListTest {
// 创建一个集合类,Collections.synchronizedList来保证线程安全
static List<Integer> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>(10));
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 这里执行10次,对比10次结果
for (int i = 0; i < 10; i++) {
// 每次执行前将list清空
list.clear();
// 创建两个线程,分别往list里面存放数据,每个线程存放10000个
Thread thread1 = new Thread(new MyThread());
Thread thread2 = new Thread(new MyThread());
thread1.start();
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
// 当两个线程执行完毕后,期望值应该是list会扩容到20000个,并且打印list.sizes()=20000
System.out.println("最终集合数量:" + list.size());
}
}
// 操作集合list线程
static class MyThread implements Runnable {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
list.add(i);
}
}
}
}
同样执行结果:
2.4、CopyOnWriteArrayList
JUC也给我们提供了一种线程安全的变体ArrayList。根据名字就可以直到他是采用复制“快照”的方式,性能上是会有一定开销的。这里在实验过程中,明显感觉得到结果的速度变慢了。
改造后代码:
public class ArrayListTest {
// 创建一个集合类,CopyOnWriteArrayList,写入时复制。
// 当多个线程调用的时候,对list进行写入操作时,将数据拷贝避免由于多线程同时操作而被覆盖。可以简单理解成读写分离操作。
// 这个类的操作使用的是lock锁,相比上述的两种synchronized来实现同步,性能更高
static List<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 这里执行10次,对比10次结果
for (int i = 0; i < 10; i++) {
// 每次执行前将list清空
list.clear();
// 创建两个线程,分别往list里面存放数据,每个线程存放10000个
Thread thread1 = new Thread(new MyThread());
Thread thread2 = new Thread(new MyThread());
thread1.start();
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
// 当两个线程执行完毕后,期望值应该是list会扩容到20000个,并且打印list.sizes()=20000
System.out.println("最终集合数量:" + list.size());
}
}
// 操作集合list线程
static class MyThread implements Runnable {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
list.add(i);
}
}
}
}
运行结果:
那么他是如何保证线程安全的呢?我们查看他的源码发现:
在他的setArra方法中,对array加了transient和volatile修饰,从而保证了线程安全。
transient:被transient修饰的属性,是不会被序列化的。后面有机会单独详细讲
volatile:防止指令重排,以及保证可见性。他是java中一种轻量的同步机制,相比synchronized来说,volatile更轻量级。后面单独会讲
3、并发下的HashSet
HashSet和ArrayList存在同样的问题。
public class HashSetTest {
static Set<Integer> hashSet = new HashSet<>();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 这里执行10次,对比10次结果
for (int i = 0; i < 10; i++) {
// 每次执行前将list清空
hashSet.clear();
// 创建两个线程,分别往list里面存放数据,每个线程存放10000个
Thread thread1 = new Thread(new MyThread());
Thread thread2 = new Thread(new MyThread());
thread1.start();
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
// 当两个线程执行完毕后,期望值应该是list会扩容到20000个,并且打印list.sizes()=20000
System.out.println("最终集合数量:" + hashSet.size());
}
}
// 操作集合list线程
static class MyThread implements Runnable {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
hashSet.add(i);
}
}
}
}
执行结果:
与ArrayList类似,当然也存在加锁的方式。同样采用JDK提供的方式:
Collections.synchronizedSet(new HashSet<>());
3.1、CopyOnWriteArraySet
同样JUC也提供了类似CopyOnWriteArrayList的方式。
改造后代码:
public class HashSetTest {
static Set<Integer> hashSet = new CopyOnWriteArraySet<>();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 这里执行10次,对比10次结果
for (int i = 0; i < 10; i++) {
// 每次执行前将list清空
hashSet.clear();
// 创建两个线程,分别往list里面存放数据,每个线程存放10000个
Thread thread1 = new Thread(new MyThread());
Thread thread2 = new Thread(new MyThread());
thread1.start();
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
// 当两个线程执行完毕后,期望值应该是list会扩容到20000个,并且打印list.sizes()=20000
System.out.println("最终集合数量:" + hashSet.size());
}
}
// 操作集合list线程
static class MyThread implements Runnable {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
hashSet.add(i);
}
}
}
}
运行结果:
3.2、HashSet底层是什么?
细心的网友有没有发现,这里的运行结果也不是我们期望的20000。而是10000。那么是不是说明这里其实并不能保证线程安全?JDK出bug了?
这里就涉及到HashSet的底层存储结构了。我们跟进去看下HashSet源码:
我们可以看到HashSet的底层结构其实是个HashMap,而HashSet存储的是使用了HashMap的key。这就保证了HashSet的存储是不能重复的。
hashSet的add方法使用的就是HashMap的put方法:
而我们上面两个线程都同时从0开始存储,因而被去重导致期望结果是10000。而CopyOnWriteArraySet虽然实现存储结构是CopyOnWriteArrayList,但他保留了Hashset的去重结构,在add的时候使用了AddIfAbsent,因而输出的结果值为10000。
要验证这个结果其实也很简单,我们把hashSet.add()中的值,改为不重复的,比如使用雪花id来填充:
public class HashSetTest {
static Set<String> hashSet = new CopyOnWriteArraySet<>();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 这里执行10次,对比10次结果
for (int i = 0; i < 10; i++) {
// 每次执行前将list清空
hashSet.clear();
// 创建两个线程,分别往list里面存放数据,每个线程存放10000个
Thread thread1 = new Thread(new MyThread());
Thread thread2 = new Thread(new MyThread());
thread1.start();
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
// 当两个线程执行完毕后,期望值应该是list会扩容到20000个,并且打印list.sizes()=20000
System.out.println("最终集合数量:" + hashSet.size());
}
}
// 操作集合list线程
static class MyThread implements Runnable {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
hashSet.add(IdUtil.getSnowflakeNextIdStr());
}
}
}
}
那么结果就是我们想要的20000了:
4、并发下的HashMap
4.1、传统方式
public class HashMapTest {
static Map<String, Object> hashMap = new HashMap<>();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 这里执行10次,对比10次结果
for (int i = 0; i < 10; i++) {
// 每次执行前将list清空
hashMap.clear();
// 创建两个线程,分别往list里面存放数据,每个线程存放10000个
Thread thread1 = new Thread(new MyThread());
Thread thread2 = new Thread(new MyThread());
thread1.start();
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
// 当两个线程执行完毕后,期望值应该是list会扩容到20000个,并且打印list.sizes()=20000
System.out.println("最终集合数量:" + hashMap.size());
}
}
// 操作集合list线程
static class MyThread implements Runnable {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
hashMap.put(IdUtil.getSnowflakeNextIdStr(), i);
}
}
}
}
运行结果:
同样也存在线程安全问题。与ArrayList类似,当然也存在加锁的方式。同样采用JDK提供的方式:
Collections.synchronizedMap(new HashMap<>());
4.2、ConcurrentHashMap
与CopyOnWriteArrayList或者set类似,JUC也提供了线程安全的Map集合。只是换个了名字:ConcurrentHashMap。
改造后代码:
public class HashMapTest {
static Map<String, Object> hashMap = new ConcurrentHashMap<>();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 这里执行10次,对比10次结果
for (int i = 0; i < 10; i++) {
// 每次执行前将list清空
hashMap.clear();
// 创建两个线程,分别往list里面存放数据,每个线程存放10000个
Thread thread1 = new Thread(new MyThread());
Thread thread2 = new Thread(new MyThread());
thread1.start();
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
// 当两个线程执行完毕后,期望值应该是list会扩容到20000个,并且打印list.sizes()=20000
System.out.println("最终集合数量:" + hashMap.size());
}
}
// 操作集合list线程
static class MyThread implements Runnable {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
hashMap.put(IdUtil.getSnowflakeNextIdStr(), i);
}
}
}
}
运行结果:
4.3、ConcurrentHashMap底层结构
那么JUC为什么不叫CopyOnWriteHashMap,而改名叫ConcurrentHashMap呢?因为他们两者的实现方式完全不一样。 前面讲到CopyOnWriteArrayList是采用复制快照的方式,实现类似读写分离的方式来确保数值不会被覆盖。
而ConcurrentHashMap却采用了分段锁的机制来确保线程安全。具体的后面专门来讲。这里只需要记住ConcurrentHashMap是可以保证线程安全即可。
可以初步看到源码中采用了分段,并添加了synchronized同步块代码,来确保高性能下的线程安全。
文章来源:https://www.toymoban.com/news/detail-470484.html
5、小结
学到这里,我们发现java下的集合类大部分都不是线程安全的。而为了确保线程安全,我们可以采取多种措施,包括JDK也提供了多种方式来确保集合在多线程中的线程安全问题。而很多时候,因为集合线程不安全导致的问题是很隐蔽的,如上述示例代码所示,并不会每次都显式的抛出异常信息,只是会让你每次的结果不一致,而每次运行结果未必都会复现。所以针对此类问题,需要谨慎对待。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-470484.html
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