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如何线程安全地遍历List:Vector、CopyOnWriteArrayList

遍历List的多种方式

在讲如何线程安全地遍历List之前,先看看通常我们遍历一个List会采用哪些方式。

方式一:

for(int i = 0; i < list.size(); i++) {
System.out.println(list.get(i));
}

方式二:

Iterator iterator = list.iterator();
while(iterator.hasNext()) {
System.out.println(iterator.next());
}

方式三:

for(Object item : list) {
System.out.println(item);
}

方式四(Java 8):

list.forEach(new Consumer<Object>() {
@Override
public void accept(Object item) {
System.out.println(item);
}
});

方式五(Java 8 Lambda):

list.forEach(item -> {
System.out.println(item);
});

首先,方式一的遍历方法是一种 非常不建议使用 的方式,特别是对于LinkedList。LinkedList是基于链表实现的,通过 list.get(i) 获取元素的性能差,所以方式一是性能很差的一种遍历方式。本文接下来的内容不再讨论这种方式的遍历。

方式二和方式三两种方式的本质是一样的,都是通过Iterator迭代器来实现的遍历,方式三可以看作是方式二的简化形式。

方式四和方式五本质也是一样的,都是使用Java 8新增的forEach方法来遍历。方式五是方式四的一种简化形式,使用了Lambda表达式。

遍历List的同时操作List会发生什么?

先用非线程安全的ArrayList做个试验,用一个线程遍历List,遍历的同时另一个线程删除List中的一个元素,代码如下:

public static void main(String[] args) {

// 初始化一个list,放入5个元素
final List<Integer> list = new ArrayList<>();
for(int i = 0; i < 5; i++) {
list.add(i);
}

// 线程一:通过Iterator遍历List
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for(int item : list) {
System.out.println("遍历元素:" + item);
// 由于程序跑的太快,这里sleep了1秒来调慢程序的运行速度
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}).start();

// 线程二:remove一个元素
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
// 由于程序跑的太快,这里sleep了1秒来调慢程序的运行速度
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}

list.remove(4);
System.out.println("list.remove(4)");
}
}).start();
}

运行结果:

遍历元素:0

遍历元素:1

list.remove(4)

Exception in thread “Thread-0” java.util.ConcurrentModificationException

线程一在遍历到第二个元素时,线程二删除了一个元素,此时程序出现异常:ConcurrentModificationException。

试想如果一个老师正在点整个班级所有学生的人数(线程一遍历List),而校长(线程二)同时叫走几个学生,那么老师也肯定点不下去了。

所以我们会想到一个解决方案,那就是校长等待老师点完学生后,再叫走学生。即让线程二等待线程一的遍历完成后再进行remove元素。

使用线程安全的Vector

ArrayList是非线程安全的,Vector是线程安全的,那么把ArrayList换成Vector是不是就可以线程安全地遍历了?

将程序中的:

final List<Integer> list = new ArrayList<>();

改成:

final List<Integer> list = new Vector<>();

再运行一次试试,会发现结果和ArrayList一样会抛出ConcurrentModificationException异常。

为什么线程安全的Vector也不能线程安全地遍历呢?其实道理也很简单,看Vector源码可以发现它的很多方法都加上了synchronized来进行线程同步,例如add()、remove()、set()、get(),但是Vector内部的synchronized方法无法控制到遍历操作,所以即使是线程安全的Vector也无法做到线程安全地遍历。

如果想要线程安全地遍历Vector,需要我们去手动在遍历时给Vector加上synchronized锁,防止遍历的同时进行remove操作。相当于校长等待老师点完学生后,再叫走学生。代码如下:

public static void main(String[] args) {

// 初始化一个list,放入5个元素
final List<Integer> list = new Vector<>();
for(int i = 0; i < 5; i++) {
list.add(i);
}

// 线程一:通过Iterator遍历List
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
// synchronized来锁住list,remove操作会在遍历完成释放锁后进行
synchronized (list) {
for(int item : list) {
System.out.println("遍历元素:" + item);
// 由于程序跑的太快,这里sleep了1秒来调慢程序的运行速度
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}).start();

// 线程二:remove一个元素
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
// 由于程序跑的太快,这里sleep了1秒来调慢程序的运行速度
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}

list.remove(4);
System.out.println("list.remove(4)");
}
}).start();
}

运行结果:

遍历元素:0

遍历元素:1

遍历元素:2

遍历元素:3

遍历元素:4

list.remove(4)

运行结果显示 list.remove(4) 的操作是等待遍历完成后再进行的。

CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList是java.util.concurrent包中的一个List的实现类。CopyOnWrite的意思是在写时拷贝,也就是如果需要对CopyOnWriteArrayList的内容进行改变,首先会拷贝一份新的List并且在新的List上进行修改,最后将原List的引用指向新的List。

使用CopyOnWriteArrayList可以线程安全地遍历,因为如果另外一个线程在遍历的时候修改List的话,实际上会拷贝出一个新的List上修改,而不影响当前正在被遍历的List。

相当于校长要想从班级喊走或者添加学生,需要把学生全部带到一个新的教室再进行操作,而老师则通过之前班级的快照在照片上清点学生。

public static void main(String[] args) {

// 初始化一个list,放入5个元素
final List<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
for(int i = 0; i < 5; i++) {
list.add(i);
}

// 线程一:通过Iterator遍历List
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for(int item : list) {
System.out.println("遍历元素:" + item);
// 由于程序跑的太快,这里sleep了1秒来调慢程序的运行速度
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}).start();

// 线程二:remove一个元素
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
// 由于程序跑的太快,这里sleep了1秒来调慢程序的运行速度
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}

list.remove(4);
System.out.println("list.remove(4)");
}
}).start();
}

运行结果:

遍历元素:0

遍历元素:1

list.remove(4)

遍历元素:2

遍历元素:3

遍历元素:4

从上面的运行结果可以看出,虽然 list.remove(4) 已经移除了一个元素,但是遍历的结果还是存在这个元素。由此可以看出被遍历的和remove的是两个不同的List。

线程安全的List.forEach

List.forEach方法是Java 8新增的一个方法,主要目的还是用于让List来支持Java 8的新特性:Lambda表达式。

由于forEach方法是List的一个方法,所以不同于在List外遍历List,forEach方法相当于List自身遍历的方法,所以它可以自由控制是否线程安全。

我们看线程安全的Vector的forEach方法源码:

public synchronized void forEach(Consumer<? super E> action) {
...
}

可以看到Vector的forEach方法上加了synchronized来控制线程安全的遍历,也就是 Vector的forEach方法可以线程安全地遍历

下面可以测试一下:

public static void main(String[] args) {

// 初始化一个list,放入5个元素
final List<Integer> list = new Vector<>();
for(int i = 0; i < 5; i++) {
list.add(i);
}

// 线程一:通过Iterator遍历List
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
list.forEach(item -> {
System.out.println("遍历元素:" + item);
// 由于程序跑的太快,这里sleep了1秒来调慢程序的运行速度
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
}
}).start();

// 线程二:remove一个元素
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
// 由于程序跑的太快,这里sleep了1秒来调慢程序的运行速度
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}

list.remove(4);
System.out.println("list.remove(4)");
}
}).start();
}

运行结果:

遍历元素:0

遍历元素:1

遍历元素:2

遍历元素:3

遍历元素:4

list.remove(4)

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