Java线程安全和非线程安全

ArrayList和Vector有什么区别?HashMap和HashTable有什么区别?StringBuilder和StringBuffer有什么区别?这些都是Java面试中常见的基础问题。面对这样的问题,回答是:ArrayList是非线程安全的,Vector是线程安全的;HashMap是非线程安全的,HashTable是线程安全的;StringBuilder是非线程安全的,StringBuffer是线程安全的。因为这是昨晚刚背的《Java面试题大全》上面写的。此时如果继续问:什么是线程安全?线程安全和非线程安全有什么区别?分别在什么情况下使用?这样一连串的问题,一口老血就喷出来了…

非线程安全的现象模拟

这里就使用ArrayList和Vector二者来说明。

下面的代码,在主线程中new了一个非线程安全的ArrayList,然后开1000个线程分别向这个ArrayList里面添加元素,每个线程添加100个元素,等所有线程执行完成后,这个ArrayList的size应该是多少?应该是100000个?

public class Main
{
    public static void main(String[] args)
    {
        // 进行10次测试
        for(int i = 0; i < 10; i++)
        {
            test();
        }
    }

    public static void test()
    {
        // 用来测试的List
        List list = new ArrayList();

        // 线程数量(1000)
        int threadCount = 1000;

        // 用来让主线程等待threadCount个子线程执行完毕
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadCount);

        // 启动threadCount个子线程
        for(int i = 0; i < threadCount; i++)
        {
            Thread thread = new Thread(new MyThread(list, countDownLatch));
            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(list.size());
    }
}

class MyThread implements Runnable
{
    private List list;

    private CountDownLatch countDownLatch;

    public MyThread(List list, CountDownLatch countDownLatch)
    {
        this.list = list;
        this.countDownLatch = countDownLatch;
    }

    public void run()
    {
        // 每个线程向List中添加100个元素
        for(int i = 0; i < 100; i++)
        {
            list.add(new Object());
        }

        // 完成一个子线程
        countDownLatch.countDown();
    }
} 
  

上面进行了10次测试(为什么要测试10次?因为非线程安全并不是每次都会导致问题)。
输出结果:

99946

100000

100000

100000

99998

99959

100000

99975

100000

99996

上面的输出结果发现,并不是每次测试结果都是100000,有好几次测试最后ArrayList的size小于100000,甚至时不时会抛出个IndexOutOfBoundsException异常。(如果没有这个现象可以多试几次)
这就是非线程安全带来的问题了。上面的代码如果用于生产环境,就会有隐患就会有BUG了。

再用线程安全的Vector来进行测试,上面代码改变一处,test()方法中

List<Object> list = new ArrayList<Object>();

改成

List<Object> list = new Vector<Object>();

再运行程序。

输出结果:

100000

100000

100000

100000

100000

100000

100000

100000

100000

100000

再多跑几次,发现都是100000,没有任何问题。因为Vector是线程安全的,在多线程操作同一个Vector对象时,不会有任何问题。

再换成LinkedList试试,同样还会出现ArrayList类似的问题,因为LinkedList也是非线程安全的。

二者如何取舍

非线程安全是指多线程操作同一个对象可能会出现问题。而线程安全则是多线程操作同一个对象不会有问题。

线程安全必须要使用很多synchronized关键字来同步控制,所以必然会导致性能的降低。

所以在使用的时候,如果是多个线程操作同一个对象,那么使用线程安全的Vector;否则,就使用效率更高的ArrayList。

非线程安全!=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。

非线程安全并不是多线程环境下就不能使用。注意我上面有说到:多线程操作同一个对象。注意是同一个对象。比如最上面那个模拟,就是在主线程中new的一个ArrayList然后多个线程操作同一个ArrayList对象。

如果是每个线程中new一个ArrayList,而这个ArrayList只在这一个线程中使用,那么肯定是没问题的。

线程安全的实现

线程安全是通过线程同步控制来实现的,也就是synchronized关键字。

在这里,我用代码分别实现了一个非线程安全的计数器和线程安全的计数器Counter,并对他们分别进行了多线程测试。

非线程安全的计数器:

public class Main
{
    public static void main(String[] args)
    {
        // 进行10次测试
        for(int i = 0; i < 10; i++)
        {
            test();
        }
    }

    public static void test()
    {
        // 计数器
        Counter counter = new Counter();

        // 线程数量(1000)
        int threadCount = 1000;

        // 用来让主线程等待threadCount个子线程执行完毕
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadCount);

        // 启动threadCount个子线程
        for(int i = 0; i < threadCount; i++)
        {
            Thread thread = new Thread(new MyThread(counter, countDownLatch));
            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();
        }

        // 计数器的值
        System.out.println(counter.getCount());
    }
}

class MyThread implements Runnable
{
    private Counter counter;

    private CountDownLatch countDownLatch;

    public MyThread(Counter counter, CountDownLatch countDownLatch)
    {
        this.counter = counter;
        this.countDownLatch = countDownLatch;
    }

    public void run()
    {
        // 每个线程向Counter中进行10000次累加
        for(int i = 0; i < 10000; i++)
        {
            counter.addCount();
        }

        // 完成一个子线程
        countDownLatch.countDown();
    }
}

class Counter
{
    private int count = 0;

    public int getCount()
    {
        return count;
    }

    public void addCount()
    {
        count++;
    }
}

上面的测试代码中,开启1000个线程,每个线程对计数器进行10000次累加,最终输出结果应该是10000000。

但是上面代码中的Counter未进行同步控制,所以非线程安全。

输出结果:

9963727

9973178

9999577

9987650

9988734

9988665

9987820

9990847

9992305

9972233

稍加修改,把Counter改成线程安全的计数器:

class Counter
{
    private int count = 0;

    public int getCount()
    {
        return count;
    }

    public synchronized void addCount()
    {
        count++;
    }
}

上面只是在addCount()方法中加上了synchronized同步控制,就成为一个线程安全的计数器了。再执行程序。

输出结果:

10000000

10000000

10000000

10000000

10000000

10000000

10000000

10000000

10000000

10000000

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