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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()：

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()：

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();
    }
}

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。