集合线程安全问题

常用的集合类型如ArrayList，HashMap，HashSet等，在并发环境下修改操作都是线程不安全的，会抛出java.util.ConcurrentModificationException异常，这节主要记录如何在并发环境下安全地修改集合数据。

List

举个ArrayList线程不安全的例子：

public class CollectionTest {

    public static void main(String[] args) {
        List<String> data = new ArrayList<>();
        IntStream.range(0, 30).forEach(
                i -> new Thread(() -> data.add(String.valueOf(i)), String.valueOf(i)).start()
        );
        System.out.println(data);
    }
}

上面例子中，有30个线程对data进行修改操纵，多运行几次上面的程序，控制台便会抛出如下异常：

之所以会抛出java.util.ConcurrentModificationException异常，是因为多个线程并发争抢修改data导致，当一个线程正在写入但还未写完时，另一个线程抢夺写入，这便导致了数据异常。

要解决这个问题，主要有以下三种方法：

1. 使用Vector：

public class CollectionTest {

    public static void main(String[] args) {
        List<String> data = new Vector<>();
        IntStream.range(0, 30).forEach(
                i -> new Thread(() -> data.add(String.valueOf(i)), String.valueOf(i)).start()
        );
        System.out.println(data);
    }
}

Vector类的add方法是通过加同步锁来实现线程安全的，查看源码：

2. 使用Collections工具类的synchronizedList方法：

public class CollectionTest {

    public static void main(String[] args) {
        List<String> data = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
        IntStream.range(0, 30).forEach(
                i -> new Thread(() -> data.add(String.valueOf(i)), String.valueOf(i)).start()
        );
        System.out.println(data);
    }
}

其本质还是通过同步锁来解决线程安全问题：

3. 使用CopyOnWriteArrayList：

public class CollectionTest {

    public static void main(String[] args) {
        List<String> data = new CopyOnWriteArrayList<>();
        IntStream.range(0, 30).forEach(
                i -> new Thread(() -> data.add(String.valueOf(i)), String.valueOf(i)).start()
        );
        System.out.println(data);
    }
}

查看CopyOnWriteArrayList类的add方法源码，会发现它是通过可重入锁来解决线程安全问题的：

上面方法的源码使用了写时复制的思想（CopyOnWrite）：往一个容器添加元素的时候，不直接往当前容器Object[]添加，而是先将当前容器Object[]进行复制，复制出一个新的容器Object[] newElements，然后往新的容器Object[] newElements里添加新的元素。添加完后，再将原容器的引用指向新的容器（即源码中的setArray(newElements)）。

这种做法的好处是可以对CopyOnWrite的容器进行并发的读，而不需要加锁，因为当前容器不会添加任何元素。所以这也是一种读写分离的思想，即读和写的容器是不同的容器。

上面这三种解决办法中，更推荐使用CopyOnWriteArrayList。

Set

HashSet在并发下修改也会出现线程安全问题。解决办法同样可以通过Collections#synchronizedSet和CopyOnWriteArraySet解决，过程和上述类似，所以不再赘述。

Map

HashMap在并发环境下修改时的线程安全问题同样可以通过Collections.synchronizedMap解决。此外并没有所谓的CopyOnWriteHashMap，线程安全的HashMap可以使用ConcurrentHashMap：

public class CollectionTest {

    public static void main(String[] args) {
        Map<String, String> data = new ConcurrentHashMap<>();
        IntStream.range(0, 30).forEach(
                i -> new Thread(() -> data.put(String.valueOf(i), String.valueOf(i)), String.valueOf(i)).start()
        );
        System.out.println(data);
    }
}