java的各種集合為什麼不安全（List、Set、Map）以及代替方案
我們已經知道多線程下會有各種不安全的問題，都知道並發的基本解決方案，這裡對出現錯誤的情況進行一個實際模擬，以此能夠聯想到具體的生產環境中。
一、List 的不安全
1.1 問題
看一段代碼：
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();
}
}
過程很簡單，只有 3 個線程而已，對同一個 list 進行 add 的寫操作，並隨後進行輸出的讀操作。
輸出結果，多執行幾次，驚喜多多。
那麼，情況不嚴重的時候，這裡顯然還正常運行結束了，只是導致了還沒來得及寫的時候，就已經讀出了數據。
如果把線程數增加試試，可能還會看到這樣的奇觀：
報錯了：重點異常：java.util.ConcurrentModificationException，翻譯過來就是並發修改異常。
1.2 產生原因
普通的 ArrayList 集合裏面沒有任何特殊處理，在多線程情況下，他們可以共同進行訪問。
那麼在多線程同時操作的時候，按照操作的情況就有這幾種：
- 各個線程都讀。不影響，前提是只有讀；
- 各個線程都寫。會出現問題，這裡的點有兩種情況：
- 值覆蓋問題，因為 ArrayList 的底層數組，寫入值的時候要先計算到一個下標位置，然後給對應的位置去賦值，多線程就會出現值覆蓋的問題；
- 空指針異常，因為 ArrayList 的底層數組，寫入值在數組滿的時候需要擴容，在擴容還沒完成的時候，新的下標卻已經計算出來並且要去插入，那麼就會出現空指針異常。
- 有的讀有的寫。那麼顯然對於多個線程來說，2 裏面各個線程寫的情況對應的問題就會出現。除此之外：
- 如果多線程有的讀有的寫，對於 ArrayList 底層，某些情況下，對象是不允許進行修改的，如果修改了，後面調用某些方法時，就會檢測到，然後就直接拋出ConcurrentModificationException。
- 具體一下，因為源碼里，寫操作對集合修改是寫，而next、remove等 Itr 的遍歷讀操作的時候會通過當前集合的修改次數與 Itr 對象創建時記錄的次數校驗集合是否被修改，如果修改了，不一致就說明正讀的時候還有別的線程在改，就會拋出異常。
- JDK作者說了，會拋這個異常的都叫fail-fast iterator。
第 3 種情況就是對應了我們上面的代碼在線程多起來的情況，因為輸出 list 的時候需要遍歷的讀，而此時還有別的線程在進行 add 的修改操作。
1.3 解決方法
注意：當然不能自己加鎖，因為集合類已經再演變過程有線程安全的替代品，自己的代碼加鎖的粒度已經在集合的外層再加一層了，粒度太大。
- 同樣能夠完成 ArrayList 功能的，可以使用 Vector，查看源碼就會發現，Vector 的基本結構是一個叫 elementData 的 Object 類型的數組，和 ArrayList 類似，但是對應的操作方法，基本都加上了 synchronized 關鍵字，因此它是線程安全的集合。
- 數據量小的時候，使用 Collections.synchronizedList(new ArrayList())這種方式，來包裹這個集合，跟 Collections 裏面 synchronizedMap包裹hashmap 是一樣的，更多的，還有：
顯然能傳入參數的這些基本集合類都是線程不安全的。
- 第三種就是，直接使用 juc 包裏面的，CopyOnWriteArrayList() 類，這個類就是並發包給我們提供的線程安全的列表類。1.4里介紹了這個集合。
1.4 CopyOnWriteArrayList
對於 CopyOnWriteArrayList 類，名字上就可以聽的出來，寫時複製的列表。
首先，按照前面的我們的分析，只要涉及了寫的操作，和讀或者寫搭配的多線程情況，就會出現問題，那麼多線程同時讀卻不會出現問題，因此相比較於直接都加上 synchronized 的方式，他的思想就是：讀寫分離。這個思想在數據庫對於高並發的架構層面也有一樣的設計。
這樣一來，對於這個 List 集合來說，分為不同操作的保證線程安全的策略，就能夠保證更好的性能。
寫的方法，我們首先可以看 add 方法源碼：
步驟很清楚，如果有了寫操作，需要加鎖：
- 加鎖
- 獲取到當前的集合數組；
- 計算長度；
- 調用 Arrays.copyOf 方法進行添加操作，每次只添加一個元素進去；
- 修改引用，更新最新的集合；
- return true。
- 解鎖
其中的 lock 在源碼里就是一個：
可以看到是一個普通的 Object。
那麼加鎖的時候就用 synchronized 對 Object 進行加鎖，沒有採用 juc 的 ReetrantLock，注釋li也寫了，偏向於使用內置的 monitor 也就是 synchronized 底層 monitor 鎖，這一點也充分說明了 synchronized 的性能更新使得源碼作者使用它。
這個方法是處理最直接的，其他對應的寫操作：remove、set等等也是一樣的基礎流程。
我們再來看看讀操作 get 方法：
二、HashSet 的不安全
2.1 問題及原因
我們還是用 List 一樣的測試代碼；
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();
}
}
}
就會看到一樣的錯誤：
2.2 出現問題的原因
其實從出現 ConcurrentModificationException 異常來看，我們可以猜測是和 List 類似的原因導致的異常。
可以看到，源碼裏面，Set 的底層維護的是一個 HashMap 來實現。對於遍歷操作來說，都是一樣的使用了 fail-fast iterator 迭代器，因此會出現這個異常。
另外，因為 HashSet 的底層是 HashMap ，本質上，對於每一個 key ，保證唯一，使用了一個 value 為 PRESENT 常量的鍵值對進行存儲。
put 的過程也是調用 map 的 put 方法。
2.3 解決方案
- List 有對應的 Vector 可用，本來就是線程安全的集合，但是 Set 沒有；
- 數據量小的時候，使用 Collections.synchronizedSet(new HashSet<>()) 這種方式，來包裹這個集合，上面我們使用 List 的時候也有類似的方法；
- 同樣的，juc包為我們提供了新的線程安全集合 CopyOnWriteArraySet()。
2.4 CopyOnWriteArraySet
- 按照前面的思路，List 的對應線程安全集合是在 List 集合的數組基礎上進行加鎖的相關操作。
- 那麼 Set 既然底層是 HashMap，對應的線程安全集合就應該是對 HashMap 的線程安全集合進行加鎖，或者說直接用 ConcurrentHashMap 集合來實現 CopyOnWriteArraySet 。
- 但事實上，源碼並不是這麼做的。
從名字來看，和 ConcurrentHashMap 也沒有什麼關係，而是類似 CopyOnWriteArrayList 的命名，說明是讀寫單獨處理，來讓他成為線程安全的集合，那為什麼是 ArraySet 多一個 array 修飾語呢？
可以看到，他的思路沒有順延 util 包的 HashSet 的實現思路，而是直接使用了 CopyOnWriteArrayList 作為底層數據結構。也就是說沒有利用 Map 的鍵值對映射的特性來保證 set 的唯一性，而是用一個數組為基底的列表來實現。（那顯然在去重方面就要做額外的操作了。）
然後每一個實現的方法都很簡單，基本是直接調用了 CopyOnWriteArrayList 的方法：
我們最擔心的可能 產生問題的 remove 和 add 方法，也是使用了 CopyOnWriteArrayList 的方法：
而保證 set 的不重複性質的關鍵，顯然就在於 CopyOnWriteArrayList 的 addIfAbsent 方法，我們還是點進 CopyOnWriteArrayList 源碼看一看這個方法的實現：
其中的 indexOfRange 方法：
可以看到，也是加了 Monitor 鎖來進行的，整個過程是這樣的：
- 獲取本來的 set ，是一個數組，以快照形式返回當前的數組；
- indexOfRange 方法通過遍歷查找查找元素出現位置，addIfAbsent方法完成不存在則加入，如果前一個為 false 後一個就不會執行；
- 加鎖；
- current 再次獲取一次當前的快照，因為有可能第一次判斷的過程有了其他線程的插入或者修改操作，此時已經不像等，就進入分支進行判斷是否存在；
- 否則就要加入這個元素，和 CopyOnWriteArrayList 添加元素的最後操作是一樣的；
- 解鎖。
總結一下就是，線程安全的 Set 集合完全利用了 CopyOnWriteArrayList 集合的方法，對應的操作也是讀寫分別處理，寫時複製的策略，通過 jvm 層面的鎖來保證安全，那麼保證不重複的方法就是遍歷進行比較。
這樣看來，相比於基於 HashMap 的去重方法，效率肯定會降低，不過如果基於線程安全的 HashMap ，插入操作從hash、比較、到考慮擴容各方面會因為加鎖的過程更複雜，而對於一個不重複的 Set 來說，完全沒必要，所以應該綜合考慮之下採用了 List 為基礎，暴力循環去重。
三、HashMap 的線程不安全
關於 HashMap 的相關問題，源碼里已經分析過，大體是這樣的。
不安全：
- 普通讀寫不一致問題；
- 死循環問題；
- ConcurrentModificationException 異常。
解決：
- util包的Hashtable集合線程安全；
- 用 synchronizedMap(new HashMap())包裝；
- 使用 juc 包的 ConcurrentHashMap。
HashMap 和 ConcurrentHashMap 的源碼分析：
HashMap源碼解析、jdk7和8之後的區別、相關問題分析
