Java并发编程入门与高并发面试（八）：线程不安全类、同步容器

摘要：本文介绍线程不安全的类和同步容器

1、线程不安全的类
- - （1）StringBuilder 与 StringBuffer
  - （2）SimpleDateFormat 与 jodatime插件
  - （3）ArrayList,HashSet,HashMap 等Collection类
2、同步容器
- - （1）ArrayList的线程安全类：Vector,Stack
  - （2）HashMap的线程安全类：HashTable
  - （3）Collections类中的相关同步方法

1、线程不安全的类

如果一个类的对象同时可以被多个线程访问，并且你不做特殊的同步或并发处理，那么它就很容易表现出线程不安全的现象。比如抛出异常、逻辑处理错误…
下面列举一下常见的线程不安全的类及对应的线程安全类：

（1）StringBuilder 与 StringBuffer

StringBuilder是线程不安全的，而StringBuffer是线程安全的。分析源码：StringBuffer的方法使用了synchronized关键字修饰。

@Override
public synchronized StringBuffer append(String str) {
    toStringCache = null;
    super.append(str);
    return this;
}123456

（2）SimpleDateFormat 与 jodatime插件

SimpleDateFormat 类在处理时间的时候，如下写法是线程不安全的：

private static SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("yyyyMMdd");

//线程调用方法
private static void update() {
    try {
        simpleDateFormat.parse("20180208");
    } catch (Exception e) {
        log.error("parse exception", e);
    }
}12345678910

但是我们可以变换其为线程安全的写法：在每次转换的时候使用线程封闭，新建变量

private static void update() {
    try {
        SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("yyyyMMdd");
        simpleDateFormat.parse("20180208");
    } catch (Exception e) {
        log.error("parse exception", e);
    }
}12345678

另外我们也可以使用jodatime插件来转换时间：其可以保证线程安全性
Joda 类具有不可变性，因此它们的实例无法被修改。（不可变类的一个优点就是它们是线程安全的）

private static DateTimeFormatter dateTimeFormatter = DateTimeFormat.forPattern("yyyyMMdd");

private static void update(int i) {
    log.info("{}, {}", i, DateTime.parse("20180208", dateTimeFormatter).toDate());
}12345

分析源码：（不可变性）

public class DateTimeFormatter {
    //均使用final声明
    private final InternalPrinter iPrinter;
    private final InternalParser iParser;
    private final Locale iLocale;
    private final boolean iOffsetParsed;
    private final Chronology iChrono;
    private final DateTimeZone iZone;
    private final Integer iPivotYear;
    private final int iDefaultYear;
    ...
    private InternalParser requireParser() {
        InternalParser var1 = this.iParser;
        if (var1 == null) {
            throw new UnsupportedOperationException("Parsing not supported");
        } else {
            return var1;
        }
    }
    public DateTime parseDateTime(String var1) {
        InternalParser var2 = this.requireParser();
        Chronology var3 = this.selectChronology((Chronology)null);
        DateTimeParserBucket var4 = new DateTimeParserBucket(0L, var3, this.iLocale, 
                                                            this.iPivotYear, this.iDefaultYear);
        ...
    }
123456789101112131415161718192021222324252627

（3）ArrayList,HashSet,HashMap 等Collection类

像ArrayList,HashSet,HashMap 等Collection类均是线程不安全的，我们以ArrayList举例分析一下源码：
1、ArrayList的基本属性：
在声明时使用了transient 关键字，此关键字意为在采用Java默认的序列化机制的时候，被该关键字修饰的属性不会被序列化。而ArrayList实现了序列化接口，自己定义了序列化方法（在此不描述）。

//对象数组：ArrayList的底层数据结构
private transient Object[] elementData;
//elementData中已存放的元素的个数
private int size;
//默认数组容量
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;123456

2、初始化

/**
 * 创建一个容量为initialCapacity的空的（size==0）对象数组
 */
 public ArrayList(int initialCapacity) {
    super();//即父类protected AbstractList() {}
    if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity:" + initialCapacity);
    this.elementData = new Object[initialCapacity];
}

/**
 * 默认初始化一个容量为10的对象数组
 */
 public ArrayList() {
    this(10);
 }12345678910111213141516

3、添加方法（重点）

//每次添加时将数组扩容1，然后再赋值
public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;
    // overflow-conscious code
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}123456789101112131415161718

4、总结：ArrayList每次对内容进行插入操作的时候，都会做扩容处理，这是ArrayList的优点（无容量的限制），同时也是缺点，线程不安全。（以下例子取材于鱼笑笑博客）
一个 ArrayList ，在添加一个元素的时候，它可能会有两步来完成：

在 Items[Size] 的位置存放此元素；
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也向此 ArrayList 添加元素，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哦，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。那好，现在我们来看看 ArrayList 的情况，元素实际上只有一个，存放在位置 0，而 Size 却等于 2。这就是“线程不安全”了。

那么如何将其处理为线程安全的？或者说对应的线程安全类有哪些呢？接下来就涉及到我们同步容器。

2、同步容器

同步容器分两类，一种是Java提供好的类，另一类是Collections类中的相关同步方法。

（1）ArrayList的线程安全类：Vector,Stack

Vector实现了List接口，Vector实际上就是一个数组，和ArrayList非常的类似，但是内部的方法都是使用synchronized修饰过的方法。
Stack它的方法也是使用synchronized修饰了，继承了Vector，实际上就是栈
使用举例（Vector）：

//定义
private static List<Integer> list = new Vector<>();
//多线程调用方法
private static void update(int i) {
   list.add(i);
}123456

源码分析：使用了synchronized修饰

public synchronized boolean add(E e) {
    modCount++;
    ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
    elementData[elementCount++] = e;
    return true;
}123456

但是Vector也不是完全的线程安全的，比如：
错误[1]：删除与获取并发操作

public class VectorExample {

    private static Vector<Integer> vector = new Vector<>();

    public static void main(String[] args) {

        while (true) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                vector.add(i);
            }
            Thread thread1 = new Thread() {
                public void run() {
                    for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
                        vector.remove(i);
                    }
                }
            };
            Thread thread2 = new Thread() {
                public void run() {
                    for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
                        vector.get(i);
                    }
                }
            };
            thread1.start();
            thread2.start();
        }
    }
}1234567891011121314151617181920212223242526272829

运行结果：报错java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: Array index out of range
原因分析：同时发生获取与删除的操作。当两个线程在同一时间都判断了vector的size，假设都判断为9，而下一刻线程1执行了remove操作，随后线程2才去get，所以就出现了错误。synchronized关键字可以保证同一时间只有一个线程执行该方法，但是多个线程同时分别执行remove、add、get操作的时候就无法控制了。

错误[2]：使用foreach\iterator遍历Vector的时候进行增删操作

public class VectorExample3 {

    // 报错java.util.ConcurrentModificationException
    private static void test1(Vector<Integer> v1) { // foreach
        for(Integer i : v1) {
            if (i.equals(3)) {
                v1.remove(i);
            }
        }
    }

    // 报错java.util.ConcurrentModificationException
    private static void test2(Vector<Integer> v1) { // iterator
        Iterator<Integer> iterator = v1.iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            Integer i = iterator.next();
            if (i.equals(3)) {
                v1.remove(i);
            }
        }
    }

    // success
    private static void test3(Vector<Integer> v1) { // for
        for (int i = 0; i < v1.size(); i++) {
            if (v1.get(i).equals(3)) {
                v1.remove(i);
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Vector<Integer> vector = new Vector<>();
        vector.add(1);
        vector.add(2);
        vector.add(3);
        test1(vector);
    }
}123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839

解决办法：在使用iteratir进行增删操作的时候，加上Lock或者synchronized同步措施或者并发容器

（2）HashMap的线程安全类：HashTable

使用举例:

//定义
private static Map<Integer, Integer> map = new Hashtable<>();
//多线程调用方法
private static void update(int i) {
    map.put(i, i);
}123456

源码分析：

保证安全性：使用了synchronized修饰
不允许空值（在代码中特殊做了判断）
HashMap和HashTable都使用哈希表来存储键值对。在数据结构上是基本相同的，都创建了一个继承自Map.Entry的私有的内部类Entry，每一个Entry对象表示存储在哈希表中的一个键值对。

Entry对象唯一表示一个键值对，有四个属性：
-K key 键对象
-V value 值对象
-int hash 键对象的hash值
-Entry entry 指向链表中下一个Entry对象，可为null，表示当前Entry对象在链表尾部

public synchronized V put(K key, V value) {
    // Make sure the value is not null
    if (value == null) {
        throw new NullPointerException();
    }

    // Makes sure the key is not already in the hashtable.
    Entry<?,?> tab[] = table;
    int hash = key.hashCode();
    int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
    @SuppressWarnings("unchecked")
    Entry<K,V> entry = (Entry<K,V>)tab[index];
    for(; entry != null ; entry = entry.next) {
        if ((entry.hash == hash) && entry.key.equals(key)) {
            V old = entry.value;
            entry.value = value;
            return old;
        }
    }

    addEntry(hash, key, value, index);
    return null;
}1234567891011121314151617181920212223

（3）Collections类中的相关同步方法

Collections类中提供了一系列的线程安全方法用于处理ArrayList等线程不安全的Collection类
这里写图片描述

使用方法：

//定义
private static List<Integer> list = Collections.synchronizedList(Lists.newArrayList());
//多线程调用方法
private static void update(int i) {
    list.add(i);
}123456

源码分析：
内部操作的方法使用了synchronized修饰符

static class SynchronizedList<E>
       extends SynchronizedCollection<E>
       implements List<E> {
       ...
       public E get(int index) {
           synchronized (mutex) {return list.get(index);}
       }
       public E set(int index, E element) {
           synchronized (mutex) {return list.set(index, element);}
       }
       public void add(int index, E element) {
           synchronized (mutex) {list.add(index, element);}
       }
       public E remove(int index) {
           synchronized (mutex) {return list.remove(index);}
       }
       ...
}

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