10张图告诉你多线程那些破事（全网最细21张图带你领略集合的线程不安全）

作者：悟空聊架构链接：https://juejin.im/post/6866444584688451591

本篇主要内容如下：

本篇所有示例代码已更新到 我的Github

本篇文章已收纳到我的Java再线文档

《Java并发必知必会》系列：

1.反制面试官 | 14张原理图 | 再也不怕被问 volatile!

2.程序员深夜惨遭老婆鄙视，原因竟是CAS原理太简单？

3.用积木讲解ABA原理 | 老婆居然又听懂了！

4.全网最细 | 21张图带你领略集合的线程不安全

一、线程不安全之ArrayList

集合框架有Map和Collection两大类，Collection下面有List、Set、Queue。List下面有ArrayList、Vector、LinkedList。如下图所示：

JUC并发包下的集合类Collections有Queue、CopyOnWriteArrayList、CopyOnWriteArraySet、ConcurrentMap

我们先来看看ArrayList。

1.1、ArrayList的底层初始化操作

首先我们来复习下ArrayList的使用，下面是初始化一个ArrayList，数组存放的是Integer类型的值。

new ArrayList<Integer>(); 复制代码

那么底层做了什么操作呢？

1.2、ArrayList的底层原理1.2.1 初始化数组

/** * Constructs an empty list with an initial capacity of ten. */ public ArrayList() { this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA; } 复制代码

创建了一个空数组，容量为0，根据官方的英文注释，这里容量应该为10，但其实是0，后续会讲到为什么不是10。

1.2.1 ArrayList的add操作

public boolean add(E e) { ensureCapacityInternal(size 1); // Increments modCount!! elementData[size ] = e; return true; } 复制代码

重点是这一步：elementData[size ] = e; size 和elementData[xx]=e，这两个操作都不是原子操作（不可分割的一个或一系列操作，要么都成功执行，要么都不执行）。

1.2.2 ArrayList扩容源码解析

（1）执行add操作时，会先确认是否超过数组大小

ensureCapacityInternal(size 1); 复制代码

（2）计算数组的当前容量calculateCapacity

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) { ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity)); } 复制代码

minCapacity : 值为1

elementData：代表当前数组

我们先看ensureCapacityInternal调用的ensureCapacityInternal方法

calculateCapacity(elementData, minCapacity) 复制代码

calculateCapacity方法如下：

private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) { if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) { return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity); } return minCapacity; } 复制代码

elementData：代表当前数组，添加第一个元素时，elementData等于DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA（空数组）

minCapacity：等于1

DEFAULT_CAPACITY： 等于10

返回 Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity) = 10

小结：所以第一次添加元素时，计算数组的大小为10

（3）确定当前容量ensureExplicitCapacity

minCapacity = 10

elementData.length=0

小结：因minCapacity > elementData.length，所以进行第一次扩容，调用grow()方法从0扩大到10。

（4）调用grow方法

oldCapacity=0，newCapacity=10。

然后执行 elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);

将当前数组和容量大小进行数组拷贝操作，赋值给elementData。数组的容量设置为10

elementData的值和DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA的值将会不一样。

（5）然后将元素赋值给数组第一个元素，且size自增1

elementData[size ] = e; 复制代码

（6）添加第二个元素时，传给ensureCapacityInternal的是2

ensureCapacityInternal(size 1) 复制代码

size=1，size 1=2

（7）第二次添加元素时，执行calculateCapacity

elementData的值和DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA的值不相等，所以直接返回2

（8）第二次添加元素时，执行ensureExplicitCapacity

因minCapacity等于2，小于当前数组的长度10，所以不进行扩容，不执行grow方法。

（9）将第二个元素添加到数组中，size自增1

elementData[size ] = e 复制代码

（10）当添加第11个元素时调用grow方法进行扩容

minCapacity=11， elementData.length=10，调用grow方法。

（11）扩容1.5倍

int newCapacity = oldCapacity (oldCapacity >> 1); 复制代码

oldCapacity=10，先换算成二级制1010，然后右移一位，变成0101，对应十进制5，所以newCapacity=10 5=15，扩容1.5倍后是15。

（12）小结

• 1.ArrayList初始化为一个空数组
• 2.ArrayList的Add操作不是线程安全的
• 3.ArrayList添加第一个元素时，数组的容量设置为10
• 4.当ArrayList数组超过当前容量时，扩容至1.5倍（遇到计算结果为小数的，向下取整），第一次扩容后，容量为15，第二次扩容至22...
• 5.ArrayList再第一次和扩容后都会对数组进行拷贝，调用Arrays.copyOf方法。

1.3、ArrayList单线程环境是否安全？

场景：

我们通过一个添加积木的例子来说明单线程下ArrayList是线程安全的。

将 积木 三角形A、四边形B、五边形C、六边形D、五角星E依次添加到一个盒子中，盒子中共有5个方格，每一个方格可以放一个积木。

代码实现：

（1）这次我们用新的积木类BuildingBlockWithName

这个积木类可以传形状shape和名字name

/** * 积木类 * @author: 悟空聊架构 * @create: 2020-08-27 */ class BuildingBlockWithName { String shape; String name; public BuildingBlockWithName(String shape, String name) { this.shape = shape; this.name = name; } @Override public String toString() { return "BuildingBlockWithName{" "shape='" shape ",name=" name '}'; } } 复制代码

（2）初始化一个ArrayList

ArrayList<BuildingBlock> arrayList = new ArrayList<>(); 复制代码

（3）依次添加三角形A、四边形B、五边形C、六边形D、五角星E

arrayList.add(new BuildingBlockWithName("三角形", "A")); arrayList.add(new BuildingBlockWithName("四边形", "B")); arrayList.add(new BuildingBlockWithName("五边形", "C")); arrayList.add(new BuildingBlockWithName("六边形", "D")); arrayList.add(new BuildingBlockWithName("五角星", "E")); 复制代码

（4）验证arrayList中元素的内容和顺序是否和添加的一致

BuildingBlockWithName{shape='三角形,name=A} BuildingBlockWithName{shape='四边形,name=B} BuildingBlockWithName{shape='五边形,name=C} BuildingBlockWithName{shape='六边形,name=D} BuildingBlockWithName{shape='五角星,name=E} 复制代码

我们看到结果确实是一致的。

小结： 单线程环境中，ArrayList是线程安全的。

1.4、多线程下ArrayList是不安全的

场景如下： 20个线程随机往ArrayList添加一个任意形状的积木。

（1）代码实现：20个线程往数组中随机存放一个积木。

（2）打印结果：程序开始运行后，每个线程只存放一个随机的积木。

数组中会不断存放积木，多个线程会争抢数组的存放资格，在存放过程中，会抛出一个异常: ConcurrentModificationException（并行修改异常）

Exception in thread "10" Exception in thread "13" java.util.ConcurrentModificationException 复制代码

这个就是常见的并发异常：java.util.ConcurrentModificationException

1.5 那如何解决ArrayList线程不安全问题呢？

有如下方案：

• 1.用Vector代替ArrayList
• 2.用Collections.synchronized(new ArrayList<>())
• 3.CopyOnWriteArrayList

1.6 Vector是保证线程安全的？

下面就来分析vector的源码。

1.6.1 初始化Vector

初始化容量为10

public Vector() { this(10); } 复制代码

1.6.2 Add操作是线程安全的

Add方法加了synchronized，来保证add操作是线程安全的（保证可见性、原子性、有序性），对这几个概念有不懂的可以看下之前的写的文章-》 反制面试官 | 14张原理图 | 再也不怕被问 volatile!

1.6.3 Vector扩容至2倍

int newCapacity = oldCapacity ((capacityIncrement > 0) ? capacityIncrement : oldCapacity); 复制代码

注意： capacityIncrement 在初始化的时候可以传值，不传则默认为0。如果传了，则第一次扩容时为设置的oldCapacity capacityIncrement，第二次扩容时扩大1倍。

缺点： 虽然保证了线程安全，但因为加了排斥锁synchronized，会造成阻塞，所以性能降低。

1.6.4 用积木模拟Vector的add操作

当往vector存放元素时，给盒子加了一个锁，只有一个人可以存放积木，放完后，释放锁，放第二元素时，再进行加锁，依次往复进行。

1.7 使用Collections.synchronizedList保证线程安全

我们可以使用Collections.synchronizedList方法来封装一个ArrayList。

List<Object> arrayList = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>()); 复制代码

为什么这样封装后，就是线程安全的？

源码解析： 因为Collections.synchronizedList封装后的list，list的所有操作方法都是带synchronized关键字的（除iterator()之外），相当于所有操作都会进行加锁，所以使用它是线程安全的（除迭代数组之外）。

注意： 当迭代数组时，需要手动做同步。官方示例如下：

synchronized (list) { Iterator i = list.iterator(); // Must be in synchronized block while (i.hasNext()) foo(i.next()); } 复制代码

1.8 使用CopyOnWriteArrayList保证线程安全

1.8.1 CopyOnWriteArrayList思想

• Copy on write：写时复制，一种读写分离的思想。
• 写操作：添加元素时，不直接往当前容器添加，而是先拷贝一份数组，在新的数组中添加元素后，在将原容器的引用指向新的容器。因为数组是用volatile关键字修饰的，所以当array重新赋值后，其他线程可以立即知道（volatile的可见性）
• 读操作：读取数组时，读老的数组，不需要加锁。
• 读写分离：写操作是copy了一份新的数组进行写，读操作是读老的数组，所以是读写分离。

1.8.2 使用方式

CopyOnWriteArrayList<BuildingBlockWithName> arrayList = new CopyOnWriteArrayList<>(); 复制代码

1.8.3 底层源码分析

add的流程：

• 先定义了一个可重入锁 ReentrantLock
• 添加元素前，先获取锁lock.lock()
• 添加元素时，先拷贝当前数组 Arrays.copyOf
• 添加元素时，扩容 1（len 1）
• 添加元素后，将数组引用指向新加了元素后的数组setArray(newElements)

为什么数组重新赋值后，其他线程可以立即知道？

因为这里的数组是用volatile修饰的，哇，又是volatile，这个关键字真妙^_^

private transient volatile Object[] array; 复制代码

1.8.4 ReentrantLock 和synchronized的区别

划重点

相同点：

• 1.都是用来协调多线程对共享对象、变量的访问
• 2.都是可重入锁，同一线程可以多次获得同一个锁
• 3.都保证了可见性和互斥性

不同点：

• 1.ReentrantLock 显示的获得、释放锁， synchronized 隐式获得释放锁
• 2.ReentrantLock 可响应中断， synchronized 是不可以响应中断的，为处理锁的不可用性提供了更高的灵活性
• 3.ReentrantLock 是 API 级别的， synchronized 是 JVM 级别的
• 4.ReentrantLock 可以实现公平锁、非公平锁
• 5.ReentrantLock 通过 Condition 可以绑定多个条件
• 6.底层实现不一样， synchronized 是同步阻塞，使用的是悲光并发策略， lock 是同步非阻塞，采用的是乐光并发策略

1.8.5 Lock和synchronized的区别

• 1.Lock需要手动获取锁和释放锁。就好比自动挡和手动挡的区别
• 1.Lock 是一个接口，而 synchronized 是 Java 中的关键字， synchronized 是内置的语言实现。
• 2.synchronized 在发生异常时，会自动释放线程占有的锁，因此不会导致死锁现象发生；而 Lock 在发生异常时，如果没有主动通过 unLock()去释放锁，则很可能造成死锁现象，因此使用 Lock 时需要在 finally 块中释放锁。
• 3.Lock 可以让等待锁的线程响应中断，而 synchronized 却不行，使用 synchronized 时，等待的线程会一直等待下去，不能够响应中断。
• 4.通过 Lock 可以知道有没有成功获取锁，而 synchronized 却无法办到。
• 5.Lock 可以通过实现读写锁提高多个线程进行读操作的效率。

二、线程不安全之HashSet

有了前面大篇幅的讲解ArrayList的线程不安全，以及如何使用其他方式来保证线程安全，现在讲HashSet应该更容易理解一些。

2.1 HashSet的用法

用法如下：

Set<BuildingBlockWithName> Set = new HashSet<>(); set.add("a"); 复制代码

初始容量=10，负载因子=0.75（当元素个数达到容量的75%，启动扩容）

2.2 HashSet的底层原理

public HashSet() { map = new HashMap<>(); } 复制代码

底层用的还是HashMap()。

考点： 为什么HashSet的add操作只用传一个参数（value)，而HashMap需要传两个参数（key和value)

2.3 HashSet的add操作

private static final Object PRESENT = new Object(); public boolean add(E e) { return map.put(e, PRESENT)==null; } 复制代码

考点回答： 因为HashSet的add操作中，key等于传的value值，而value是PRESENT，PRESENT是new Object();，所以传给map的是 key=e, value=new Object。Hash只关心key，不考虑value。

为什么HashSet不安全： 底层add操作不保证可见性、原子性。所以不是线程安全的。

2.4 如何保证线程安全

• 1.使用Collections.synchronizedSet Set<BuildingBlockWithName> set = Collections.synchronizedSet(new HashSet<>()); 复制代码
• 2.使用CopyOnWriteArraySet CopyOnWriteArraySet<BuildingBlockWithName> set = new CopyOnWriteArraySet<>(); 复制代码

2.5 CopyOnWriteArraySet的底层还是使用的是CopyOnWriteArrayList

public CopyOnWriteArraySet() { al = new CopyOnWriteArrayList<E>(); } 复制代码

三、线程不安全之HashMap3.1 HashMap的使用

同理，HashMap和HashSet一样，在多线程环境下也是线程不安全的。

Map<String, BuildingBlockWithName> map = new HashMap<>(); map.put("A", new BuildingBlockWithName("三角形", "A")); 复制代码

3.2 HashMap线程不安全解决方案：

• 1.Collections.synchronizedMap

Map<String, BuildingBlockWithName> map2 = Collections.synchronizedMap(new HashMap<>()); 复制代码

• 2.ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap<String, BuildingBlockWithName> set3 = new ConcurrentHashMap<>(); 复制代码

3.3 ConcurrentHashMap原理

ConcurrentHashMap，它内部细分了若干个小的 HashMap，称之为段(Segment)。 默认情况下一个 ConcurrentHashMap 被进一步细分为 16 个段，既就是锁的并发度。如果需要在 ConcurrentHashMap 中添加一个新的表项，并不是将整个 HashMap 加锁，而是首先根据 hashcode 得到该表项应该存放在哪个段中，然后对该段加锁，并完成 put 操作。在多线程环境中，如果多个线程同时进行put操作，只要被加入的表项不存放在同一个段中，则线程间可以做到真正的并行。

四、其他的集合类

LinkedList: 线程不安全，同ArrayList TreeSet： 线程不安全，同HashSet LinkedHashSet： 线程不安全，同HashSet TreeMap： 同HashMap，线程不安全 HashTable： 线程安全

总结

本篇第一个部分详细讲述了ArrayList集合的底层扩容原理，演示了ArrayList的线程不安全会导致抛出并发修改异常。然后通过源码解析的方式讲解了三种方式来保证线程安全：

• Vector是通过在add等方法前加synchronized来保证线程安全
• Collections.synchronized()是通过包装数组，在数组的操作方法前加synchronized来保证线程安全
• CopyOnWriteArrayList通过写时复制来保证线程安全的。

第二部分讲解了HashSet的线程不安全性，通过两种方式保证线程安全：

• Collections.synchronizedSet
• CopyOnWriteArraySet

第三部分讲解了HashMap的线程不安全性，通过两种方式保证线程安全：

• Collections.synchronizedMap
• ConcurrentHashMap

另外在讲解的过程中，也详细对比了ReentrantLock和synchronized及Lock和synchronized的区别。

,