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21张图带你领略集合的线程不安全

JAVA小咖秀

共 9475字，需浏览 19分钟

 ·

2020-09-06 15:49

这是我的第 55 篇原创文章

作者 | 悟空聊架构 

作者专注于用精美原理图解释底层原理

来源 | 悟空聊架构（ID：PassJava666）

转载请联系授权（微信ID：PassJava）

本篇主要内容如下：

本篇主要内容

本篇所有示例代码已更新到 我的Github

本篇文章已收纳到我的Java在线文档

集合，准备团战

一、线程不安全之ArrayList

集合框架有Map和Collection两大类，Collection下面有List、Set、Queue。List下面有ArrayList、Vector、LinkedList。如下图所示：

集合框架思维导图

JUC并发包下的集合类Collections有Queue、CopyOnWriteArrayList、CopyOnWriteArraySet、ConcurrentMap

JUC包下的Collections

我们先来看看ArrayList。

1.1、ArrayList的底层初始化操作

首先我们来复习下ArrayList的使用，下面是初始化一个ArrayList，数组存放的是Integer类型的值。

new ArrayList();

那么底层做了什么操作呢？

1.2、ArrayList的底层原理

1.2.1 初始化数组

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

创建了一个空数组，容量为0，根据官方的英文注释，这里容量应该为10，但其实是0，后续会讲到为什么不是10。

1.2.1 ArrayList的add操作

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

重点是这一步：elementData[size++] = e; size++和elementData[xx]=e，这两个操作都不是原子操作（不可分割的一个或一系列操作，要么都成功执行，要么都不执行）。

1.2.2 ArrayList扩容源码解析

（1）执行add操作时，会先确认是否超过数组大小

ensureCapacityInternal(size + 1);
ensureCapacityInternal方法

（2）计算数组的当前容量calculateCapacity

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

minCapacity : 值为1

elementData：代表当前数组

我们先看ensureCapacityInternal调用的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：代表当前数组，添加第一个元素时，elementData等于DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA（空数组）

minCapacity：等于1

DEFAULT_CAPACITY：等于10

返回 Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity) = 10

小结：所以第一次添加元素时，计算数组的大小为10

（3）确定当前容量ensureExplicitCapacity

ensureExplicitCapacity方法

minCapacity = 10

elementData.length=0

小结：因minCapacity > elementData.length，所以进行第一次扩容，调用grow()方法从0扩大到10。

（4）调用grow方法

grow方法

oldCapacity=0，newCapacity=10。

然后执行 elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);

将当前数组和容量大小进行数组拷贝操作，赋值给elementData。数组的容量设置为10

elementData的值和DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA的值将会不一样。

（5）然后将元素赋值给数组第一个元素，且size自增1

elementData[size++] = e;

（6）添加第二个元素时，传给ensureCapacityInternal的是2

ensureCapacityInternal(size + 1)

size=1，size+1=2

（7）第二次添加元素时，执行calculateCapacity

mark

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

（8）第二次添加元素时，执行ensureExplicitCapacity

因minCapacity等于2，小于当前数组的长度10，所以不进行扩容，不执行grow方法。

mark

（9）将第二个元素添加到数组中，size自增1

elementData[size++] = e

（10）当添加第11个元素时调用grow方法进行扩容

mark

minCapacity=11， elementData.length=10，调用grow方法。

（11）扩容1.5倍

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

oldCapacity=10，先换算成二级制1010，然后右移一位，变成0101，对应十进制5，所以newCapacity=10+5=15，扩容1.5倍后是15。

扩容1.5倍

（12）小结

  • 1.ArrayList初始化为一个空数组
  • 2.ArrayList的Add操作不是线程安全的
  • 3.ArrayList添加第一个元素时，数组的容量设置为10
  • 4.当ArrayList数组超过当前容量时，扩容至1.5倍（遇到计算结果为小数的，向下取整），第一次扩容后，容量为15，第二次扩容至22...
  • 5.ArrayList在第一次和扩容后都会对数组进行拷贝，调用Arrays.copyOf方法。
安全出行

1.3、ArrayList单线程环境是否安全？

场景：

我们通过一个添加积木的例子来说明单线程下ArrayList是线程安全的。

将 积木 三角形A、四边形B、五边形C、六边形D、五角星E依次添加到一个盒子中，盒子中共有5个方格，每一个方格可以放一个积木。

ArrayList单线程下添加元素

代码实现：

（1）这次我们用新的积木类BuildingBlockWithName

这个积木类可以传形状shape和名字name

/**
 * 积木类
 * @author: 悟空聊架构
 * @create: 2020-08-27
 */
class BuildingBlockWithName {
    String shape;
    String name;
    public BuildingBlockWithName(String shape, String name) {
        this.shape = shape;
        this.name = name;
    }
    @Override
    public String toString() {
        return "BuildingBlockWithName{" + "shape='" + shape + ",name=" + name +'}';
    }
}

（2）初始化一个ArrayList

ArrayList arrayList = new ArrayList<>();

（3）依次添加三角形A、四边形B、五边形C、六边形D、五角星E

arrayList.add(new BuildingBlockWithName("三角形", "A"));
arrayList.add(new BuildingBlockWithName("四边形", "B"));
arrayList.add(new BuildingBlockWithName("五边形", "C"));
arrayList.add(new BuildingBlockWithName("六边形", "D"));
arrayList.add(new BuildingBlockWithName("五角星", "E"));

（4）验证arrayList中元素的内容和顺序是否和添加的一致

BuildingBlockWithName{shape='三角形,name=A}
BuildingBlockWithName{shape='四边形,name=B}
BuildingBlockWithName{shape='五边形,name=C}
BuildingBlockWithName{shape='六边形,name=D}
BuildingBlockWithName{shape='五角星,name=E}

我们看到结果确实是一致的。

小结： 单线程环境中，ArrayList是线程安全的。

1.4、多线程下ArrayList是不安全的

场景如下： 20个线程随机往ArrayList添加一个任意形状的积木。

多线程场景往数组存放元素

（1）代码实现：20个线程往数组中随机存放一个积木。

多线程下ArrayList是不安全的

（2）打印结果：程序开始运行后，每个线程只存放一个随机的积木。

打印结果

数组中会不断存放积木，多个线程会争抢数组的存放资格，在存放过程中，会抛出一个异常: ConcurrentModificationException（并行修改异常）

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

这个就是常见的并发异常：java.util.ConcurrentModificationException

1.5 那如何解决ArrayList线程不安全问题呢？

有如下方案：

  • 1.用Vector代替ArrayList
  • 2.用Collections.synchronized(new ArrayList<>())
  • 3.CopyOnWriteArrayList

1.6 Vector是保证线程安全的？

下面就来分析vector的源码。

1.6.1 初始化Vector

初始化容量为10

public Vector() {
    this(10);
}

1.6.2 Add操作是线程安全的

Add方法加了synchronized，来保证add操作是线程安全的（保证可见性、原子性、有序性），对这几个概念有不懂的可以看下之前的写的文章-》 反制面试官 | 14张原理图 | 再也不怕被问 volatile!

Add方法加了synchronized

1.6.3 Vector扩容至2倍

int newCapacity = oldCapacity + ((capacityIncrement > 0) ? capacityIncrement : oldCapacity);
容量扩容至2倍

注意： capacityIncrement 在初始化的时候可以传值，不传则默认为0。如果传了，则第一次扩容时为设置的oldCapacity+capacityIncrement，第二次扩容时扩大1倍。

缺点： 虽然保证了线程安全，但因为加了排斥锁synchronized，会造成阻塞，所以性能降低。

阻塞

1.6.4 用积木模拟Vector的add操作

vector的add操作

当往vector存放元素时，给盒子加了一个锁，只有一个人可以存放积木，放完后，释放锁，放第二元素时，再进行加锁，依次往复进行。

1.7 使用Collections.synchronizedList保证线程安全

我们可以使用Collections.synchronizedList方法来封装一个ArrayList。

List arrayList = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
为什么这样封装后，就是线程安全的？
源码解析： 因为Collections.synchronizedList封装后的list，list的所有操作方法都是带synchronized关键字的（除iterator()之外），相当于所有操作都会进行加锁，所以使用它是线程安全的（除迭代数组之外）。
加锁
mark
注意： 当迭代数组时，需要手动做同步。官方示例如下：
synchronized (list) {
     Iterator i = list.iterator(); // Must be in synchronized block
     while (i.hasNext())
         foo(i.next());
}
1.8 使用CopyOnWriteArrayList保证线程安全
复制
1.8.1 CopyOnWriteArrayList思想
  • Copy on write：写时复制，一种读写分离的思想。
  • 写操作：添加元素时，不直接往当前容器添加，而是先拷贝一份数组，在新的数组中添加元素后，在将原容器的引用指向新的容器。因为数组时用volatile关键字修饰的，所以当array重新赋值后，其他线程可以立即知道（volatile的可见性）
  • 读操作：读取数组时，读老的数组，不需要加锁。
  • 读写分离：写操作是copy了一份新的数组进行写，读操作是读老的数组，所以是读写分离。
1.8.2 使用方式
CopyOnWriteArrayList arrayList = new CopyOnWriteArrayList<>();
1.8.3 底层源码分析
CopyOnWriteArrayList的add方法分析
add的流程：
  • 先定义了一个可重入锁 ReentrantLock
  • 添加元素前，先获取锁lock.lock()
  • 添加元素时，先拷贝当前数组 Arrays.copyOf
  • 添加元素时，扩容+1（len + 1）
  • 添加元素后，将数组引用指向新加了元素后的数组setArray(newElements)
为什么数组重新赋值后，其他线程可以立即知道？
因为这里的数组是用volatile修饰的，哇，又是volatile，这个关键字真妙^_^
 private transient volatile Object[] array;
妙啊
1.8.4 ReentrantLock 和synchronized的区别
划重点
相同点：
  • 1.都是用来协调多线程对共享对象、变量的访问
  • 2.都是可重入锁，同一线程可以多次获得同一个锁
  • 3.都保证了可见性和互斥性
不同点：
乐观
  • 1.ReentrantLock 显示的获得、释放锁， synchronized 隐式获得释放锁
  • 2.ReentrantLock 可响应中断， synchronized 是不可以响应中断的，为处理锁的不可用性提供了更高的灵活性
  • 3.ReentrantLock 是 API 级别的， synchronized 是 JVM 级别的
  • 4.ReentrantLock 可以实现公平锁、非公平锁
  • 5.ReentrantLock 通过 Condition 可以绑定多个条件
  • 6.底层实现不一样， synchronized 是同步阻塞，使用的是悲观并发策略， lock 是同步非阻塞，采用的是乐观并发策略
1.8.5 Lock和synchronized的区别
自动挡和手动挡的区别
  • 1.Lock需要手动获取锁和释放锁。就好比自动挡和手动挡的区别
  • 1.Lock 是一个接口，而 synchronized 是 Java 中的关键字， synchronized 是内置的语言实现。
  • 2.synchronized 在发生异常时，会自动释放线程占有的锁，因此不会导致死锁现象发生；而 Lock 在发生异常时，如果没有主动通过 unLock()去释放锁，则很可能造成死锁现象，因此使用 Lock 时需要在 finally 块中释放锁。
  • 3.Lock 可以让等待锁的线程响应中断，而 synchronized 却不行，使用 synchronized 时，等待的线程会一直等待下去，不能够响应中断。
  • 4.通过 Lock 可以知道有没有成功获取锁，而 synchronized 却无法办到。
  • 5.Lock 可以通过实现读写锁提高多个线程进行读操作的效率。
二、线程不安全之HashSet 
有了前面大篇幅的讲解ArrayList的线程不安全，以及如何使用其他方式来保证线程安全，现在讲HashSet应该更容易理解一些。
2.1 HashSet的用法
用法如下：
Set Set = new HashSet<>();
set.add("a");
初始容量=10，负载因子=0.75（当元素个数达到容量的75%，启动扩容）
2.2 HashSet的底层原理
public HashSet() {
    map = new HashMap<>();
}
底层用的还是HashMap()。
考点： 为什么HashSet的add操作只用传一个参数（value)，而HashMap需要传两个参数（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;
}
考点回答： 因为HashSet的add操作中，key等于传的value值，而value是PRESENT，PRESENT是new Object();，所以传给map的是 key=e,  value=new Object。Hash只关心key，不考虑value。
为什么HashSet不安全： 底层add操作不保证可见性、原子性。所以不是线程安全的。
2.4 如何保证线程安全
  • 1.使用Collections.synchronizedSet
    Set set = Collections.synchronizedSet(new HashSet<>());
  • 2.使用CopyOnWriteArraySet
    CopyOnWriteArraySet set = new CopyOnWriteArraySet<>();
2.5 CopyOnWriteArraySet的底层还是使用的是CopyOnWriteArrayList
public CopyOnWriteArraySet() {
    al = new CopyOnWriteArrayList();
}
三、线程不安全之HashMap 
3.1 HashMap的使用
同理，HashMap和HashSet一样，在多线程环境下也是线程不安全的。
Map map = new HashMap<>();
map.put("A", new BuildingBlockWithName("三角形", "A"));
3.2 HashMap线程不安全解决方案：
  • 1.Collections.synchronizedMap
Map map2 = Collections.synchronizedMap(new HashMap<>());
  • 2.ConcurrentHashMap
ConcurrentHashMap set3 = new ConcurrentHashMap<>();
3.3 ConcurrentHashMap原理
ConcurrentHashMap，它内部细分了若干个小的 HashMap，称之为段(Segment)。默认情况下一个 ConcurrentHashMap 被进一步细分为 16 个段，既就是锁的并发度。如果需要在 ConcurrentHashMap 中添加一个新的表项，并不是将整个 HashMap 加锁，而是首先根据 hashcode 得到该表项应该存放在哪个段中，然后对该段加锁，并完成 put 操作。在多线程环境中，如果多个线程同时进行put操作，只要被加入的表项不存放在同一个段中，则线程间可以做到真正的并行。
四、其他的集合类 
LinkedList: 线程不安全，同ArrayListTreeSet： 线程不安全，同HashSetLinkedHashSet： 线程不安全，同HashSetTreeMap： 同HashMap，线程不安全HashTable： 线程安全
总结 
本篇第一个部分详细讲述了ArrayList集合的底层扩容原理，演示了ArrayList的线程不安全会导致抛出并发修改异常。然后通过源码解析的方式讲解了三种方式来保证线程安全：
  • Vector是通过在add等方法前加synchronized来保证线程安全
  • Collections.synchronized()是通过包装数组，在数组的操作方法前加synchronized来保证线程安全
  • CopyOnWriteArrayList通过写时复制来保证线程安全的。
第二部分讲解了HashSet的线程不安全性，通过两种方式保证线程安全：
  • Collections.synchronizedSet
  • CopyOnWriteArraySet
第三部分讲解了HashMap的线程不安全性，通过两种方式保证线程安全：
  • Collections.synchronizedMap
  • ConcurrentHashMap
另外在讲解的过程中，也详细对比了ReentrantLock和synchronized及Lock和synchronized的区别。
彩蛋： 聪明的你，一定发现集合里面还漏掉了一个重要的东西：那就是Queue。期待后续么？

之前博主分享了很多资源，有的已经删除了（你懂得），如果有的你当时没有领到还想领得就可以加我微信，我在发给你，你需要得资源也可以给我说，我尽力给你找~
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java版 数据结构与算法基础

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