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Java 集合线程安全

news 来源：原创 2025/8/25 13:47:51

在高并发环境下，Java集合ArrayList和HashMap读写可能会出现安全问题。其中有几个解决办法：

使用Collections类方法Collections.synchronizedList和Collections.synchronizedMap
在Java并发包中提供了CopyOnWriteArrayList和ConcurrentHashMap类

一、ArrayList 的线程安全问题

ArrayList是 Java 中最常用的动态数组实现类，它基于数组实现，允许元素重复，并且可以根据元素的添加自动扩容。在单线程环境下，ArrayList使用起来非常方便，但在多线程环境中，它并不具备线程安全性。

ArrayList在多线程环境下出现线程安全问题，主要体现在其add、remove等操作上。这些操作并不是原子性的，以add操作为例，在添加元素时，ArrayList需要检查数组是否已满，如果已满则需要进行扩容操作，扩容过程涉及到创建新数组、复制原数组元素等步骤。在多线程环境下，当多个线程同时执行add操作时，可能会出现两个线程同时检测到数组已满，进而各自进行扩容操作，最终导致数据丢失、覆盖或者其他不可预知的错误。

例如以下代码，模拟了多线程环境下ArrayList可能出现的问题：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;public class ArrayListThreadSafetyDemo {private static List<Integer> list = new ArrayList<>();public static void main(String[] args) {Thread[] threads = new Thread[1000];for (int i = 0; i < 1000; i++) {threads[i] = new Thread(() -> {for (int j = 0; j < 100; j++) {list.add(j);}});threads[i].start();}for (Thread thread : threads) {try {thread.join();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}System.out.println("List size: " + list.size());}
}

运行这段代码，可能会发现最终输出的list大小并不是预期的100000，这就是因为多线程操作ArrayList导致的线程安全问题。

为了解决ArrayList在多线程环境下的线程安全问题，可以使用Collections.synchronizedList方法将ArrayList包装成线程安全的列表。另外，Java 并发包中还提供了CopyOnWriteArrayList，它在写入操作（如add、remove）时，会先复制原数组，在新数组上进行操作，操作完成后再将新数组赋值给原数组引用，虽然这种方式会消耗更多的内存，但在读取操作频繁的场景下，能有效提高并发性能且保证线程安全。

下面代码用CopyOnWriteArrayList解决ArrayList线程安全问题

List<String> copyOnWriteList = new CopyOnWriteArrayList<>();

二、HashMap 的线程安全问题

HashMap是 Java 中常用的键值对存储集合，它基于哈希表实现，具有高效的查找、插入和删除性能。但与ArrayList一样，HashMap在多线程环境下也不是线程安全的。

HashMap在多线程环境下存在线程安全问题，主要体现在其哈希表的结构在多线程操作时可能会被破坏。在 JDK 1.7 及之前的版本中，HashMap采用数组 + 链表的结构，当多个线程同时进行插入操作且发生哈希冲突时，可能会导致链表形成环形结构，从而在后续的查找操作中陷入死循环。在 JDK 1.8 之后，HashMap引入了红黑树，虽然一定程度上改善了性能，但依然无法解决多线程操作时的数据竞争问题。

下面是一个简单的示例代码，模拟多线程环境下HashMap可能出现的问题：

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;public class HashMapThreadSafetyDemo {private static Map<String, Integer> map = new HashMap<>();public static void main(String[] args) {Thread[] threads = new Thread[1000];for (int i = 0; i < 1000; i++) {threads[i] = new Thread(() -> {for (int j = 0; j < 100; j++) {map.put("key" + j, j);}});threads[i].start();}for (Thread thread : threads) {try {thread.join();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}System.out.println("Map size: " + map.size());}
}

运行上述代码，可能会出现数据丢失、程序卡死等情况。

为了保证HashMap在多线程环境下的线程安全，可以使用Collections.synchronizedMap方法将HashMap包装成线程安全的映射。此外，Java 并发包中的ConcurrentHashMap是专门为多线程环境设计的高效线程安全映射，它通过分段锁、CAS 操作等技术，允许多个线程同时访问不同的段，大大提高了并发性能，在多线程场景下是HashMap的理想替代方案。

下面代码用ConcurrentHashMap解决HashMap线程安全问题

Map<String, Integer> concurrentHashMap = new ConcurrentHashMap<>();

三、总结

在多线程环境下使用 Java 集合类时，一定要充分考虑线程安全问题。对于ArrayList和HashMap这类非线程安全的集合，开发者可以根据具体的业务场景选择合适的解决方案，如使用同步包装类或者 Java 并发包中提供的线程安全集合类。只有正确处理集合的线程安全问题，才能确保程序在多线程环境下稳定、高效地运行。

以上从多个方面介绍了 Java 集合的线程安全知识。若你对博客的内容深度、示例类型还有其他想法，欢迎随时和我说。

一、ArrayList 的线程安全问题

二、HashMap 的线程安全问题

三、总结

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