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。

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。

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()：

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()：

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;

  }

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();

    }

}

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。

巴特西

Java多线程理解：线程安全的集合对象

最新文章

热门文章