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()：

10000
10000
10000
10000
10000
10000
10000

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()：

10000
10000
10000
10000
10000
10000
10000

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();
}
}

997
993
995
996
997
998
997

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。