Java并发（十一）一文搞懂Java并发各种容器_concurrentmodificationexception

同步容器

同步容器简介

在 Java 中，同步容器主要包括 2 类：

• Vector、Stack、Hashtable
  • Vector - Vector 实现了 List 接口。Vector 实际上就是一个数组，和 ArrayList 类似。但是 Vector 中的方法都是 synchronized 方法，即进行了同步措施。
  • Stack - Stack 也是一个同步容器，它的方法也用 synchronized 进行了同步，它实际上是继承于 Vector 类。
  • Hashtable- Hashtable 实现了 Map 接口，它和 HashMap 很相似，但是 Hashtable 进行了同步处理，而 HashMap 没有。
• Collections 类中提供的静态工厂方法创建的类（由 Collections.synchronizedXXX 等方法）

同步容器的问题

同步容器的同步原理就是在其 get、set、size 等主要方法上用 synchronized 修饰。 synchronized 可以保证在同一个时刻，只有一个线程可以执行某个方法或者某个代码块。

性能问题

synchronized 的互斥同步会产生阻塞和唤醒线程的开销。显然，这种方式比没有使用 synchronized 的容器性能要差很多。
注：尤其是在 Java 1.6 没有对 synchronized 进行优化前，阻塞开销很高。

安全问题

同步容器真的绝对安全吗？
其实也未必。在做复合操作（非原子操作）时，仍然需要加锁来保护。常见复合操作如下：

• 迭代：反复访问元素，直到遍历完全部元素；
• 跳转：根据指定顺序寻找当前元素的下一个（下 n 个）元素；
• 条件运算：例如若没有则添加等；

❌ 不安全的示例

public class VectorDemo {

    static Vector<Integer> vector = new Vector<>();

    public static void main(String[] args) {
        while (true) {
            vector.clear();

            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                vector.add(i);
            }

            Thread thread1 = new Thread() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
                        vector.remove(i);
                    }
                }
            };

            Thread thread2 = new Thread() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
                        vector.get(i);
                    }
                }
            };

            thread1.start();
            thread2.start();

            while (Thread.activeCount() > 10) {
                System.out.println("同时存在 10 个以上线程，退出");
                return;
            }
        }
    }

}
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以上程序执行时可能会出现数组越界错误。
Vector 是线程安全的，那为什么还会报这个错？
这是因为，对于 Vector，虽然能保证每一个时刻只能有一个线程访问它，但是不排除这种可能：
当某个线程在某个时刻执行这句时：

for(int i=0;i<vector.size();i++)
vector.get(i);
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假若此时 vector 的 size 方法返回的是 10，i 的值为 9
然后另外一个线程执行了这句：

for(int i=0;i<vector.size();i++)
vector.remove(i);
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将下标为 9 的元素删除了。
那么通过 get 方法访问下标为 9 的元素肯定就会出问题了。
✔ 安全示例
因此为了保证线程安全，必须在方法调用端做额外的同步措施，如下面所示：

public class VectorDemo2 {

    static Vector<Integer> vector = new Vector<Integer>();

    public static void main(String[] args) {
        while (true) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                vector.add(i);
            }

            Thread thread1 = new Thread() {
                @Override
                public void run() {
                    synchronized (VectorDemo2.class) {   //进行额外的同步
                        for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
                            vector.remove(i);
                        }
                    }
                }
            };

            Thread thread2 = new Thread() {
                @Override
                public void run() {
                    synchronized (VectorDemo2.class) {
                        for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
                            vector.get(i);
                        }
                    }
                }
            };

            thread1.start();
            thread2.start();

            while (Thread.activeCount() > 10) {
                System.out.println("同时存在 10 个以上线程，退出");
                return;
            }
        }
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ConcurrentModificationException 异常
在对 Vector 等容器并发地进行迭代修改时，会报 ConcurrentModificationException 异常，关于这个异常将会在后续文章中讲述。
但是在并发容器中不会出现这个问题。

并发容器简介

同步容器将所有对容器状态的访问都串行化，以保证线程安全性，这种策略会严重降低并发性。
Java 1.5 后提供了多种并发容器，使用并发容器来替代同步容器，可以极大地提高伸缩性并降低风险。
J.U.C 包中提供了几个非常有用的并发容器作为线程安全的容器：

J.U.C 包中提供的并发容器命名一般分为三类：

• Concurrent
  • 这类型的锁竞争相对于 **CopyOnWrite** 要高一些，但写操作代价要小一些。
  • 此外，Concurrent 往往提供了较低的遍历一致性，即：当利用迭代器遍历时，如果容器发生修改，迭代器仍然可以继续进行遍历。代价就是，在获取容器大小 size() ，容器是否为空等方法，不一定完全精确，但这是为了获取并发吞吐量的设计取舍，可以理解。与之相比，如果是使用同步容器，就会出现 fail-fast 问题，即：检测到容器在遍历过程中发生了修改，则抛出 **ConcurrentModificationException**，不再继续遍历。
• CopyOnWrite - 一个线程写，多个线程读。读操作时不加锁，写操作时通过在副本上加锁保证并发安全，空间开销较大。
• Blocking - 内部实现一般是基于锁，提供阻塞队列的能力。

❌ 错误示例，产生 ConcurrentModificationException 异常：

public void removeKeys(Map<String, Object> map, final String... keys) {
    map.keySet().removeIf(key -> ArrayUtil.contains(keys, key));
}
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❌ 错误示例，产生 ConcurrentModificationException 异常：

public static <K, V> Map<K, V> removeKeys(Map<String, Object> map, final String... keys) {
    for (K key : keys) {
        map.remove(key);
    }
    return map;
}
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并发场景下的 Map

如果对数据有强一致要求，则需使用 Hashtable；在大部分场景通常都是弱一致性的情况下，使用 ConcurrentHashMap 即可；如果数据量在千万级别，且存在大量增删改操作，则可以考虑使用 ConcurrentSkipListMap。

并发场景下的 List

读多写少用 CopyOnWriteArrayList。
写多读少用 ConcurrentLinkedQueue ，但由于是无界的，要有容量限制，避免无限膨胀，导致内存溢出。

Map

Map 接口的两个实现是 ConcurrentHashMap 和 ConcurrentSkipListMap，它们从应用的角度来看，主要区别在于ConcurrentHashMap 的 key 是无序的，而 ConcurrentSkipListMap 的 key 是有序的。所以如果你需要保证 key 的顺序，就只能使用 ConcurrentSkipListMap。
使用 ConcurrentHashMap 和 ConcurrentSkipListMap 需要注意的地方是，它们的 key 和 value 都不能为空，否则会抛出NullPointerException这个运行时异常。

ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap 是线程安全的 HashMap ，用于替代 Hashtable。

ConcurrentHashMap 的特性

ConcurrentHashMap 实现了 ConcurrentMap 接口，而 ConcurrentMap 接口扩展了 Map 接口。

public class ConcurrentHashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
implements ConcurrentMap<K,V>, Serializable {
    // ...
}
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ConcurrentHashMap 的实现包含了 HashMap 所有的基本特性，如：数据结构、读写策略等。
ConcurrentHashMap 没有实现对 Map 加锁以提供独占访问。因此无法通过在客户端加锁的方式来创建新的原子操作。但是，一些常见的复合操作，如：“若没有则添加”、“若相等则移除”、“若相等则替换”，都已经实现为原子操作，并且是围绕 ConcurrentMap 的扩展接口而实现。

public interface ConcurrentMap<K, V> extends Map<K, V> {

    // 仅当 K 没有相应的映射值才插入
    V putIfAbsent(K key, V value);

    // 仅当 K 被映射到 V 时才移除
    boolean remove(Object key, Object value);

    // 仅当 K 被映射到 oldValue 时才替换为 newValue
    boolean replace(K key, V oldValue, V newValue);

    // 仅当 K 被映射到某个值时才替换为 newValue
    V replace(K key, V value);
}
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不同于 Hashtable，ConcurrentHashMap 提供的迭代器不会抛出 ConcurrentModificationException，因此不需要在迭代过程中对容器加锁。