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。

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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。

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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;}@Overridepublic 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()：

  99981000010000ArrayIndexOutOfBoundsException1000099679936

• 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;}@Overridepublic 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()：

  10000100001000010000100001000010000

• 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;}@Overridepublic 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()：

  10000100001000010000100001000010000

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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;  }

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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();    }}

997993995996997998997

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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。

转载自：http://www.cnblogs.com/Free-Thinker/p/7016007.html