Java多线程编程中的线程安全集合：保护数据的铁壁

原创

杨不易呀

修改于 2023-09-27 22:13:31

1970

前言

Java多线程编程是现代软件开发的重要组成部分，然而，多线程环境下数据的安全性一直是一个棘手的问题。本文将探讨如何通过线程安全集合来解决这一挑战。我们将深入研究Java中的Concurrent包，介绍诸如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList等强大的数据结构，它们为多线程应用提供了高效的数据管理方式。无论您是初学者还是有经验的开发人员，都将从本文中学到如何确保数据在多线程环境下的安全性，为您的Java多线程应用程序打造坚实的基础。

线程安全集合

CopyOnWriteArrayList重点

线程安全的ArrayList，加强版读写分离。
写有锁，读无锁，读写之间不阻塞，优于读写锁。
写入时，先copy一个容器副本、再添加新元素，最后替换引用。
使用方式与ArrayList无异。

示例：

public class TestCopyOnWriteArrayList {
	public static void main(String[] args) {
		//1创建集合
		CopyOnWriteArrayList<String> list=new CopyOnWriteArrayList<>();
		//2使用多线程操作
		ExecutorService es=Executors.newFixedThreadPool(5);
		//3提交任务
		for(int i=0;i<5;i++) {
			es.submit(new Runnable() {
				
				@Override
				public void run() {
					for(int j=0;j<10;j++) {
						list.add(Thread.currentThread().getName()+"...."+new Random().nextInt(1000));
					}
				}
			});
		}
		//4关闭线程池
		es.shutdown();
		while(!es.isTerminated()) {}
		//5打印结果
		System.out.println("元素个数:"+list.size());
		for (String string : list) {
			System.out.println(string);
		}
	}
}

CopyOnWriteArrayList如何做到线程安全的

CopyOnWriteArrayList使用了一种叫写时复制的方法，当有新元素添加到CopyOnWriteArrayList时，先从原有的数组中拷贝一份出来，然后在新的数组做写操作，写完之后，再将原来的数组引用指向到新数组。

当有新元素加入的时候，如下图，创建新数组，并往新数组中加入一个新元素,这个时候，array这个引用仍然是指向原数组的。

当元素在新数组添加成功后，将array这个引用指向新数组。

CopyOnWriteArrayList的整个add操作都是在锁的保护下进行的。这样做是为了避免在多线程并发add的时候，复制出多个副本出来,把数据搞乱了，导致最终的数组数据不是我们期望的。

CopyOnWriteArrayList的add操作的源代码如下：

 public boolean add(E e) {
    //1、先加锁
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        //2、拷贝数组
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        //3、将元素加入到新数组中
        newElements[len] = e;
        //4、将array引用指向到新数组
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
       //5、解锁
        lock.unlock();
    }
}

由于所有的写操作都是在新数组进行的，这个时候如果有线程并发的写，则通过锁来控制，如果有线程并发的读，则分几种情况：

1、如果写操作未完成，那么直接读取原数组的数据；

2、如果写操作完成，但是引用还未指向新数组，那么也是读取原数组数据；

3、如果写操作完成，并且引用已经指向了新的数组，那么直接从新数组中读取数据。

可见，CopyOnWriteArrayList的读操作是可以不用加锁的。

CopyOnWriteArraySet

示例：

public class TestCopyOnWriteArraySet {
	public static void main(String[] args) {
		//1创建集合
		CopyOnWriteArraySet<String> set=new CopyOnWriteArraySet<>();
		//2添加元素
		set.add("pingguo");
		set.add("huawei");
		set.add("xiaomi");
		set.add("lianxiang");
		set.add("pingguo");
		//3打印
		System.out.println("元素个数:"+set.size());
		System.out.println(set.toString());
	}
}

ConcurrentHashMap重点

初始容量默认为16段（Segment），使用分段锁设计。
不对整个Map加锁，而是为每个Segment加锁。
当多个对象存入同一个Segment时，才需要互斥。
最理想状态为16个对象分别存入16个Segment，并行数量16。
使用方式与HashMap无异。

注意⚠️: ConcurrentHashMap jdk1.8之前才是分段锁，1.8之后没有使用分段锁了，而是乐观锁加Synchronized，这里注意一下

示例：

public class TestConcurrentHashMap {
	public static void main(String[] args) {
		//1创建集合
		ConcurrentHashMap<String, String> hashMap=new ConcurrentHashMap<String, String>();
		//2使用多线程添加数据
		for(int i=0;i<5;i++) {
			new Thread(new Runnable() {
				
				@Override
				public void run() {
					for(int k=0;k<10;k++) {
						hashMap.put(Thread.currentThread().getName()+"--"+k, k+"");
						System.out.println(hashMap);
					}
				}
			}).start();
		}
	}

}