[Java并发编程实战]同步容器类潜在的问题（含实例代码）

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路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。———屈原《离骚》

本篇文章主要讲同步容器类存在的潜在问题以及解决办法。我们不禁想问，同步容器就一定是真正地完全线程安全吗？不一定。因为它可能会抛出下面这两种异常。

  1. ArrayIndexOutBoundsException 异常
  2. ConcurrentModificationException 异常

恩，这篇我们就来讨论这两个异常出现的原因以及解决办法。

同步策略

好，现在再来看上一篇文章中说到的同步容器类，先来了解它们的同步策略。它们主要有：

  • HashTable
  • Vector
  • Stack
  • 同步包装器 : [ Collections.synchronizedMap(), Collections.synchronizedList() ]

Vector 的部分源码如下：

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 //...
 public synchronized E get(int index) {
       if (index >= elementCount)
           throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);

       return elementData(index);
   }

   public synchronized E set(int index, E element) {
       if (index >= elementCount)
           throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);

       E oldValue = elementData(index);
       elementData[index] = element;
       return oldValue;
   }

   public synchronized boolean add(E e) {
       modCount++;
       ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
       elementData[elementCount++] = e;
       return true;
   }
//...

通过同步容器的源码可以看出，它们将状态封装起来，对每个方法都采用 synchronized 进行同步，每次只有一个线程能访问容器。

ArrayIndexOutBoundsException 异常

同步容器类理论上都是线程安全的，但是在某些情况下，依然会出错。我们用 Vector 来举例，比方现在要删除 Vector 里面的最后一个元素。如果此时有多个线程并发执行这一删除操作，能正常执行吗？

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import java.util.Vector;

public class VectorTest {

	//定义删除最后一个元素的方法
	public static void deleteLast(Vector list) {
		int lastindex = list.size() - 1;
		list.remove(lastindex);
	}
	
	public static void main(String[] args) {

		Vector v = new Vector(); //创建一个 Vector
		
		//添加 10000 个元素到容器
		for(int i = 0; i < 10000; i++) {
			v.add(i);
		}
		
		//启动 N 个线程执行删除操作
		for(int i = 0; i < 900; i++) {
			new Thread(new Runnable() {
				@Override
				public void run() {
					deleteLast(v);//删除最后一个元素
				}
			}).start();
		}
		System.out.println("end");
	}
}

执行结果：
执行结果
执行结果是抛出异常[ArrayIndexOutBoundsException]，数组下标越界。因为在这个程序中，Vector 的 size 是不断减小的。可能一个元素已经被删除的，另一个元素有再去删除它然而元素已经不存在了，所以抛出异常。

当然，这种情况我们只能通过客户端加锁来解决，好在 Vector 的同步策略就是用自己的内置锁。所以我们的代码修改如下，便可以运行：

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synchronized (v) {
	deleteLast(v);//删除最后一个元素
}

//迭代的时候也应当注意加锁
synchronized (v) {
	for(int i = 0; i < v.size(); i++) {
		doSomeThing(v.get(i));
	}
}

ConcurrentModificationException 异常

再来看下面一段代码：

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import java.util.Iterator;
import java.util.Vector;

public class VectorTest {

	public static void main(String[] args) {

		Vector v = new Vector(); //创建一个 Vector

		//添加 100 个元素到容器
		for(int i = 0; i < 100; i++) {
			v.add(i);
		}
		
		//利用迭代器遍历，在遍历的同时删除一个元素
		Iterator it = v.iterator();
		while(it.hasNext()) {
			Integer integer = (Integer) it.next();
			if(integer == 5) {
				v.remove(integer); //删除一个元素
			}
		}
		
		System.out.println(v.toString());
	}
}

执行结果是：
执行结果
在 checkForComodification 中，it.next() 会检查这两个变量(modCount、expectedModCount) 是否相等，不等则抛出这个异常。直接调用 v.remove() ，它会更新 modCount 的值，却没有更新 expectedModCount 的值，所以抛出异常。这两个变量在容器类的位置如下所示：
modCount

要解决这个问题，把 v.remove(integer) 改为使用迭代器删除 it.remove() 即可，迭代器中的方法能够同时更新这两个值，确保相等。有兴趣的朋友可以查看 Itr 的源码看个究竟。

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if(integer == 5) {
	it.remove(); //用迭代器遍历，则用迭代器删除
}

上面说的是单线程的情况下发生异常。那么问题来了，按照上面改好后，多线程的情况下是不是否万事大吉了呢？

答案是否定的。因为多线程情况下，不同线程的操作可能导致这两个变量在不同线程读到的值会不相等，因为这两个变量不是 volatile 变量，所以在多线程之间可能存在不可见性。

就多线程的情况，我们再来看下面一个例子：

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import java.util.Iterator;
import java.util.Vector;

public class VectorTest {

	public static void main(String[] args) {

		Vector v = new Vector(); //创建一个 Vector

		//添加 100 个元素到容器
		for(int i = 0; i < 100; i++) {
			v.add(i);
		}
		//创建一个线程，遍历 Vector
		new Thread(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				Iterator it = v.iterator();
				while(it.hasNext()) {
					Integer integer = (Integer) it.next(); //调用next
					try {
						Thread.sleep(100);    //睡眠
					} catch (InterruptedException e) {
						// TODO Auto-generated catch block
						e.printStackTrace();
					}
				}
			}
		}).start();
        //创建一个线程，遍历 Vector
		new Thread(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				//利用迭代器遍历，在遍历的同时删除一个元素
				Iterator it = v.iterator();
				while(it.hasNext()) {
					Integer integer = (Integer) it.next();
					if(integer == 5) {
						it.remove(); //删除一个元素,更新变量 modCount，expectedModCount的值。
					}
				}
			}
		}).start();
	}
}

执行结果如下：
这里写图片描述
在对 Vector 等同步容器进行并发迭代修改的时候，迭代器就可能报 ConcurrentModificationException 异常。

针对多线程的情况，为了避免出现异常，一般有2种解决办法：

　　1）在使用iterator迭代的时候使用synchronized或者Lock进行同步；
　　2）使用并发容器CopyOnWriteArrayList代替ArrayList和Vector。
　　
现在通过客户端加锁来举例解决，每个线程在迭代期间持有一个容器锁。

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//利用迭代器遍历，在遍历的同时删除一个元素
synchronized(v) {
Iterator it = v.iterator();
while(it.hasNext()) {
	Integer integer = (Integer) it.next();
	if(integer == 5) {
		it.remove(); //删除一个元素,更新变量 modCount，expectedModCount的值。
	}
}

隐藏的迭代器

尽管加锁可以避免迭代器出现 modCount 异常，但是必须记住在一个可能发生迭代的共享容器中，各处都要使用锁。因为有时候，迭代器是隐藏的。

比如标准容器中的 toString() 实现会迭代容器中的每个元素。类似的，容器的hashCode，equal，containsAll，removeAll和retainAIl等方法，都会对容器进行迭代，抛出ConcurrentModificationException。

这是我们应该注意的地方。

好了，今天就写到这，关于并发容器的内容将在下一篇文章中讲述。

本文原创首发于微信公众号 [ 林里少年 ]，欢迎关注第一时间获取更新。

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