java的各种集合为什么不安全（List、Set、Map）以及代替方案

我们已经知道多线程下会有各种不安全的问题，都知道并发的基本解决方案，这里对出现错误的情况进行一个实际模拟，以此能够联想到具体的生产环境中。

一、List 的不安全

1.1 问题

看一段代码：

public static void main(String[] args) {
    ArrayList<String> list = new ArrayList<>();

    for (int i = 0; i < 3; i++){
        new Thread(()->{
            list.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0,8));
            System.out.println(list);
        },String.valueOf(i)).start();
    }
}

过程很简单，只有 3 个线程而已，对同一个 list 进行 add 的写操作，并随后进行输出的读操作。

输出结果，多执行几次，惊喜多多。

那么，情况不严重的时候，这里显然还正常运行结束了，只是导致了还没来得及写的时候，就已经读出了数据。

如果把线程数增加试试，可能还会看到这样的奇观：

报错了：重点异常：java.util.ConcurrentModificationException，翻译过来就是并发修改异常。

1.2 产生原因

普通的 ArrayList 集合里面没有任何特殊处理，在多线程情况下，他们可以共同进行访问。

那么在多线程同时操作的时候，按照操作的情况就有这几种：

各个线程都读。不影响，前提是只有读；
各个线程都写。会出现问题，这里的点有两种情况：
1. 值覆盖问题，因为 ArrayList 的底层数组，写入值的时候要先计算到一个下标位置，然后给对应的位置去赋值，多线程就会出现值覆盖的问题；
2. 空指针异常，因为 ArrayList 的底层数组，写入值在数组满的时候需要扩容，在扩容还没完成的时候，新的下标却已经计算出来并且要去插入，那么就会出现空指针异常。
有的读有的写。那么显然对于多个线程来说，2 里面各个线程写的情况对应的问题就会出现。除此之外：
1. 如果多线程有的读有的写，对于 ArrayList 底层，某些情况下，对象是不允许进行修改的，如果修改了，后面调用某些方法时，就会检测到，然后就直接抛出ConcurrentModificationException。
2. 具体一下，因为源码里，写操作对集合修改是写，而next、remove等 Itr 的遍历读操作的时候会通过当前集合的修改次数与 Itr 对象创建时记录的次数校验集合是否被修改，如果修改了，不一致就说明正读的时候还有别的线程在改，就会抛出异常。
3. JDK作者说了，会抛这个异常的都叫fail-fast iterator。

第 3 种情况就是对应了我们上面的代码在线程多起来的情况，因为输出 list 的时候需要遍历的读，而此时还有别的线程在进行 add 的修改操作。

1.3 解决方法

注意：当然不能自己加锁，因为集合类已经再演变过程有线程安全的替代品，自己的代码加锁的粒度已经在集合的外层再加一层了，粒度太大。

同样能够完成 ArrayList 功能的，可以使用 Vector，查看源码就会发现，Vector 的基本结构是一个叫 elementData 的 Object 类型的数组，和 ArrayList 类似，但是对应的操作方法，基本都加上了 synchronized 关键字，因此它是线程安全的集合。
数据量小的时候，使用 Collections.synchronizedList(new ArrayList())这种方式，来包裹这个集合，跟 Collections 里面 synchronizedMap包裹hashmap 是一样的，更多的，还有：

显然能传入参数的这些基本集合类都是线程不安全的。

第三种就是，直接使用 juc 包里面的，CopyOnWriteArrayList() 类，这个类就是并发包给我们提供的线程安全的列表类。1.4里介绍了这个集合。

1.4 CopyOnWriteArrayList

对于 CopyOnWriteArrayList 类，名字上就可以听的出来，写时复制的列表。

首先，按照前面的我们的分析，只要涉及了写的操作，和读或者写搭配的多线程情况，就会出现问题，那么多线程同时读却不会出现问题，因此相比较于直接都加上 synchronized 的方式，他的思想就是：读写分离。这个思想在数据库对于高并发的架构层面也有一样的设计。

这样一来，对于这个 List 集合来说，分为不同操作的保证线程安全的策略，就能够保证更好的性能。

写的方法，我们首先可以看 add 方法源码：

步骤很清楚，如果有了写操作，需要加锁：

加锁
获取到当前的集合数组；
计算长度；
调用 Arrays.copyOf 方法进行添加操作，每次只添加一个元素进去；
修改引用，更新最新的集合；
return true。
解锁

其中的 lock 在源码里就是一个：

可以看到是一个普通的 Object。

那么加锁的时候就用 synchronized 对 Object 进行加锁，没有采用 juc 的 ReetrantLock，注释li也写了，偏向于使用内置的 monitor 也就是 synchronized 底层 monitor 锁，这一点也充分说明了 synchronized 的性能更新使得源码作者使用它。

这个方法是处理最直接的，其他对应的写操作：remove、set等等也是一样的基础流程。

我们再来看看读操作 get 方法：

二、HashSet 的不安全

2.1 问题及原因

我们还是用 List 一样的测试代码；

public class TestSet {
    public static void main(String[] args) {
        HashSet<String> set = new HashSet<>();
        for (int i = 0; i < 100; i++){
            new Thread(()->{
                set.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0,8));
                System.out.println(set);
            },String.valueOf(i)).start();
        }
    }
}

就会看到一样的错误：

2.2 出现问题的原因

其实从出现 ConcurrentModificationException 异常来看，我们可以猜测是和 List 类似的原因导致的异常。

可以看到，源码里面，Set 的底层维护的是一个 HashMap 来实现。对于遍历操作来说，都是一样的使用了 fail-fast iterator 迭代器，因此会出现这个异常。

另外，因为 HashSet 的底层是 HashMap ，本质上，对于每一个 key ，保证唯一，使用了一个 value 为 PRESENT 常量的键值对进行存储。

put 的过程也是调用 map 的 put 方法。

2.3 解决方案

List 有对应的 Vector 可用，本来就是线程安全的集合，但是 Set 没有；
数据量小的时候，使用 Collections.synchronizedSet(new HashSet<>()) 这种方式，来包裹这个集合，上面我们使用 List 的时候也有类似的方法；
同样的，juc包为我们提供了新的线程安全集合 CopyOnWriteArraySet()。

2.4 CopyOnWriteArraySet

按照前面的思路，List 的对应线程安全集合是在 List 集合的数组基础上进行加锁的相关操作。
那么 Set 既然底层是 HashMap，对应的线程安全集合就应该是对 HashMap 的线程安全集合进行加锁，或者说直接用 ConcurrentHashMap 集合来实现 CopyOnWriteArraySet 。
但事实上，源码并不是这么做的。

从名字来看，和 ConcurrentHashMap 也没有什么关系，而是类似 CopyOnWriteArrayList 的命名，说明是读写单独处理，来让他成为线程安全的集合，那为什么是 ArraySet 多一个 array 修饰语呢？

可以看到，他的思路没有顺延 util 包的 HashSet 的实现思路，而是直接使用了 CopyOnWriteArrayList 作为底层数据结构。也就是说没有利用 Map 的键值对映射的特性来保证 set 的唯一性，而是用一个数组为基底的列表来实现。（那显然在去重方面就要做额外的操作了。）

然后每一个实现的方法都很简单，基本是直接调用了 CopyOnWriteArrayList 的方法：