超详细 | 21张图带你领略集合的线程不安全

来源 | 悟空聊架构

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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<Integer>();

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。

1.2.2 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）。

1.2.3 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。

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<BuildingBlock> 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：

• 用Vector代替ArrayList
• 用Collections.synchronized(new ArrayList<>())
• 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。

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<Object> 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

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<BuildingBlockWithName> 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;

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：

• 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

• 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。
• 2.Lock 是一个接口，而 synchronized 是 Java 中的关键字， synchronized 是内置的语言实现。
• 3.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。
• 4.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。
• 5.通过 Lock 可以知道有没有成功获取锁，而 synchronized 却无法办到。
• 6.Lock 可以通过实现读写锁提高多个线程进行读操作的效率。

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<BuildingBlockWithName> 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<BuildingBlockWithName> set = Collections.synchronizedSet(new HashSet<>());

2.使用 CopyOnWriteArraySet

CopyOnWriteArraySet<BuildingBlockWithName> set = new CopyOnWriteArraySet<>();

2.5 CopyOnWriteArraySet 的底层还是使用的是 CopyOnWriteArrayList

public CopyOnWriteArraySet() {
    al = new CopyOnWriteArrayList<E>();
}

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<String, BuildingBlockWithName> 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<String, BuildingBlockWithName> map2 = Collections.synchronizedMap(new HashMap<>()); 

• 2.ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap<String, BuildingBlockWithName> 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。

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？

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