Java多線程理解：線程安全的集合對象

1、概念介紹

線程安全就是多線程訪問時，采用了加鎖機制，當一個線程訪問該類的某個數據時，進行保護，其他線程不能進行訪問直到該線程讀取完，其他線程才可使用。不會出現數據不一致或者數據污染。
線程不安全就是不提供數據訪問保護，多線程先后更改數據會產生數據不一致或者數據污染的情況。
一般使用synchronized關鍵字加鎖同步控制，來解決線程不安全問題。

2、線程安全的集合對象

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

3、代碼測試

ArrayList線程不安全：
在主線程中新建100個子線程，分別向ArrayList中添加100個元素，最后打印ArrayList的size。

public class Test {

  public static void main(String [] args){
      // 用來測試的List  
      List<String> data = new ArrayList<>();
      // 用來讓主線程等待100個子線程執行完畢  
      CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(100);
      // 啟動100個子線程  
      for(int i=0;i<100;i++){
          SampleTask task = new SampleTask(data,countDownLatch);
          Thread thread = new Thread(task);
          thread.start();
      }
      try{
          // 主線程等待所有子線程執行完成，再向下執行  
          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() {
        // 每個線程向List中添加100個元素  
        for(int i = 0; i < 100; i++)  
        {  
            data.add("1");
        }  
        // 完成一個子線程  
        countDownLatch.countDown();
    }
}

7次測試輸出()：

9998
10000
10000
ArrayIndexOutOfBoundsException
10000
9967
9936

Vector線程安全：
在主線程中新建100個子線程，分別向Vector中添加100個元素，最后打印Vector的size。

public class Test {

  public static void main(String [] args){
      // 用來測試的List  
      List<String> data = new Vector<>();
      // 用來讓主線程等待100個子線程執行完畢  
      CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(100);
      // 啟動100個子線程  
      for(int i=0;i<100;i++){
          SampleTask task = new SampleTask(data,countDownLatch);
          Thread thread = new Thread(task);
          thread.start();
      }
      try{
          // 主線程等待所有子線程執行完成，再向下執行  
          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() {
        // 每個線程向List中添加100個元素  
        for(int i = 0; i < 100; i++)  
        {  
            data.add("1");
        }  
        // 完成一個子線程  
        countDownLatch.countDown();
    }
}

7次測試輸出()：

使用synchronized關鍵字來同步ArrayList：

public class Test {

  public static void main(String [] args){
      // 用來測試的List  
      List<String> data = new ArrayList<>();
      // 用來讓主線程等待100個子線程執行完畢  
      CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(100);
      // 啟動100個子線程  
      for(int i=0;i<100;i++){
          SampleTask task = new SampleTask(data,countDownLatch);
          Thread thread = new Thread(task);
          thread.start();
      }
      try{
          // 主線程等待所有子線程執行完成，再向下執行  
          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() {
        // 每個線程向List中添加100個元素  
        for(int i = 0; i < 100; i++)  
        {  
            synchronized(data){
                data.add("1");
            }
        }  
        // 完成一個子線程  
        countDownLatch.countDown();
    }
}

7次測試輸出()：

3、原因分析

ArrayList在添加一個元素的時候，它會有兩步來完成：1. 在 Items[Size] 的位置存放此元素；2. 增大 Size 的值。
在單線程運行的情況下，如果 Size = 0，添加一個元素后，此元素在位置 0，而且 Size=1；
而如果是在多線程情況下，比如有兩個線程，線程 A 先將元素1存放在位置 0。但是此時 CPU 調度線程A暫停，線程 B 得到運行的機會。線程B向此 ArrayList 添加元素2，因為此時 Size 仍然等于 0 （注意，我們假設的是添加一個元素是要兩個步驟，而線程A僅僅完成了步驟1），所以線程B也將元素存放在位置0。然后線程A和線程B都繼續運行，都增加 Size 的值，結果Size都等于1。
最后，ArrayList中期望的元素應該有2個，而實際元素是在0位置，造成丟失元素，故Size 等于1。導致“線程不安全”。
ArrayList源碼：

@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，多個線程就不可能同時訪問vector中的數據，只能一個一個地訪問，所以不會出現數據混亂的情況，所以是線程安全的。
Vector源碼：

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

4、線程安全的集合并不安全

分析以下場景：

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

由于線程安全的集合對象是基于單個方法的同步，所以即使map是線程安全的，也會產生不同步現象。
在非單個方法的場景下，我們仍然需要使用synchronized加鎖才能保證對象的同步。

代碼測試：

public class Test {

  public static void main(String [] args){
      // 用來測試的List  
      List<String> data = new Vector<>();
      // 用來讓主線程等待100個子線程執行完畢  
      CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(100);
      // 啟動100個子線程  
      for(int i=0;i<1000;i++){
          SampleTask task = new SampleTask(data,countDownLatch);
          Thread thread = new Thread(task);
          thread.start();
      }
      try{
          // 主線程等待所有子線程執行完成，再向下執行  
          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() {
        // 每個線程向List中添加100個元素  
        int size = data.size();
        data.add(size,"1"); 
        // 完成一個子線程  
        countDownLatch.countDown();
    }
}

5、總結

如何取舍
線程安全必須要使用synchronized關鍵字來同步控制，所以會導致性能的降低。
當不需要線程安全時，可以選擇ArrayList，避免方法同步產生的開銷；
當多個線程操作同一個對象時，可以選擇線程安全的Vector；
線程不安全!=不安全
有人在使用過程中有一個不正確的觀點：我的程序是多線程的，不能使用ArrayList要使用Vector，這樣才安全。
線程不安全并不是多線程環境下就不能使用。
注意線程不安全條件：多線程操作同一個對象。比如上述代碼就是在多個線程操作同一個ArrayList對象。
如果每個線程中new一個ArrayList，而這個ArrayList只在這一個線程中使用，那么是沒問題的。
線程‘安全’的集合對象
較復雜的操作下，線程安全的集合對象也無法保證數據的同步，仍然需要我們來處理。

[2015-08]

最后編輯于：2017.11.27 03:24:33

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