慕课网实战·高并发探索（八）：线程不安全类、同步容器
特别感谢：慕课网jimin老师的《Java并发编程与高并发解决方案》课程，以下知识点多数来自老师的课程内容。
jimin老师课程地址：Java并发编程与高并发解决方案
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- 1、线程不安全的类
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- （1）StringBuilder 与 StringBuffer
- （2）SimpleDateFormat 与 jodatime插件
- （3）ArrayList,HashSet,HashMap 等Collection类
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- 2、同步容器
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- （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
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- 1、线程不安全的类
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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;
}（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);
}
}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);
}
}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());
}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);
...
}
（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;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);
}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);
}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 list = new Vector<>();
//多线程调用方法
private static void update(int i) {
list.add(i);
} 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;
}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 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();
}
}
} 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 v1) { // foreach
for(Integer i : v1) {
if (i.equals(3)) {
v1.remove(i);
}
}
}
// 报错java.util.ConcurrentModificationException
private static void test2(Vector v1) { // iterator
Iterator iterator = v1.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
Integer i = iterator.next();
if (i.equals(3)) {
v1.remove(i);
}
}
}
// success
private static void test3(Vector 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 vector = new Vector<>();
vector.add(1);
vector.add(2);
vector.add(3);
test1(vector);
}
} 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 map = new Hashtable<>();
//多线程调用方法
private static void update(int i) {
map.put(i, i);
} 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 entry = (Entry)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;
} （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
使用方法：
//定义
private static List list = Collections.synchronizedList(Lists.newArrayList());
//多线程调用方法
private static void update(int i) {
list.add(i);
} 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);}
}
...
}