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多线程—线程安全集合类与死锁

news 来源：原创 2025/7/5 18:54:20

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1 线程安全的集合类

1.1 ArrayList确保线程安全

1.2 Queue确保线程安全

1.3 哈希表确保线程安全

2 死锁

1 线程安全的集合类

前面讲过，Vector、Stack（Stack线程安全的原因是因为继承Vector实现）、HashTable、ConcurrentHashMap、StringBuffer是线程安全的，其他的集合类不是线程安全的，如果想要在多线程环境下使用集合类确保线程安全，就要结合确保线程安全的机制来使用：

1.1 ArrayList确保线程安全

1.使用synchronized或ReentrantLock。

2.Collections.synchronizedList(new ArrayList)：synchronizedList是标准库提供的一个基于synchronized进行线程同步List，对可能影响到线程安全的操作上使用synchronized关键字。

3.CopyOnWriteArrayList：当多线程同时修改ArrayList时，会把容器拷贝一份，往拷贝的容器修改数据，在把拷贝容器替换掉原来的容器。但是引发缺点：当容器数据很多时，拷贝操作开销大；同时新修改的数据无法及时读取到。因此这个类适合读多写少的场景，读可以并发读，不用加锁，性能高。（实际上，在CopyOnWriteArrayList源码中，对于修改操作的拷贝是加了ReentrantLock锁的，但是加了锁再拷贝，拷贝的意义也就丢失了）

1.2 Queue确保线程安全

1.ArrayBlockingQueue：基于数组实现的阻塞队列。

2.LinkedBlockingQueue：基于链表实现的阻塞队列。

3.PriorityBlockingQueue：优先级阻塞队列（堆实现）。

4.TransferQueue：最多只包含一个元素的阻塞队列。

1.3 哈希表确保线程安全

1.Hashtable：内部实现把关键的方法都加了synchronized关键字，这等于对哈希表加了一把锁（锁对象是当前Hashtable对象），因此如果要并发访问不同位置的数据，也会产生锁竞争。

对于哈希表的size修改，也是使用synchronized控制。同时一旦触发哈希表扩容操作，就会导致当前线程的put方法负责完成扩容，此过程涉及大量元素拷贝，导致此次操作时间很长。解决方案：在Java 8中，ConcurrentHashMap对Hashtable做了一些优化。

2.ConcurrentHashMap：synchronized的锁粒度进行了细化，对每个哈希桶都加了一把锁，同一个哈希桶的元素修改才会涉及锁竞争问题，不同哈希桶的元素修改不涉及锁竞争。同时读操作不加锁（使用volatile关键字保证内存可见性），写操作加锁。

对于哈希表的size修改，使用CAS机制，避免使用重量级锁。对于扩容操作，采用“化整为零”策略：一旦触发扩容，首先创建一个新的更大容量的哈希表，插入元素时，插入到新的哈希表，查找元素时，新旧哈希表一起查询。对于扩容时的每一个操作，都参与元素移动的过程，即每次操作移动一小批元素（重新哈希），直到所有的元素都搬运完，旧的哈希表删除，完成扩容过程。这种扩容操作避免了扩容时某次操作时间过长的问题。

注意1：在Java 7时，ConcurrentHashMap的线程安全的实现是使用“分段锁”，即把若干哈希桶分为一个“段”，每个段共享一把锁，每个段的若干哈希桶的修改涉及锁竞争。底层实现是数组+链表（哈希桶）。而在Java 8，ConcurrentHashMap的线程安全的实现优化成上述每个桶一把锁的机制，底层实现是数据+链表/红黑树（链表元素>=8个，链表转化为红黑树）。

注意2：HashMap、Hashtable和ConcurrentHashMap的区别？从线程安全角度来讲：HashMap线程不安全，Hashtable和ConcurrentHashMap线程安全。从加锁粒度角度来讲：Hashtable的锁对象是当前Hashtable对象，ConcurrentHashMap的锁对象是每个链表的头结点，ConcurrentHashMap还利用了CAS机制保证Size的线程安全和使用“化整为零”的扩容机制。从Key是否为空角度来讲：HashMap的Key允许为null，Hashtable和ConcurrentHashMap的Key不允许为null。

2 死锁

死锁是多个线程中一个或多个同时等待某个资源的释放，因为线程之间相互阻塞，于是程序无法正常结束，这种现象就被称为死锁。

死锁的常见场景有：

1.一个线程一把锁：不可重入锁，当一个线程已经持有一把锁时，线程任务的执行逻辑还需要对该锁对象加锁，由于当前锁对象未被释放，因此就会导致自己等待自己释放资源的死锁现象。

2.两个线程两把锁：线程需要同时持有两把锁才能进行任务的执行，但是由于一个线程持有一把锁，另一个线程持有另一把锁，两个线程都等待对方的另一把锁的释放，因此导致了线程相互阻塞等待对方的锁的死锁现象。

Object lock1 = new Object();Object lock2 = new Object();Thread t1 = new Thread() {@Overridepublic void run() {synchronized (lock1) {synchronized (lock2) {//...}}}};t1.start();Thread t2 = new Thread() {@Overridepublic void run() {synchronized (lock2) {synchronized (lock1) {//...}}}};
t2.start();

3.多个线程多把锁：以哲学家就餐问题为例，一群哲学家在餐桌旁就餐，每个人左手边和右手边各一根筷子，两个人之间只有一根筷子，只有同时拿到两根筷子组成一双才能吃饭，如果每个哲学家都同时拿左边的筷子或右边的筷子，就会导致每个人都只拿到了一根筷子，从而每个人都无法就餐：

要解决这个死锁问题，可以为每根筷子编号，规定哲学家只能按编号从小到大的顺序取筷子，比如只有先拿到筷子1才能拿筷子2。也可以为哲学家编号，每次满足部分哲学家的就餐需求，比如奇数同时拿起左右两边的筷子（如果出现筷子不足的情况，就让某位哲学家放弃），待奇数放下筷子偶数再拿起左右两边的筷子就餐。

上述分析过程也体现了死锁的四个必要条件：

1.互斥使用，即当资源被一个线程使用(占有)时，别的线程不能使用。

2.不可抢占，资源请求者不能强制从资源占有者手中夺取资源，资源只能由资源占有者主动释放。

3.请求和保持，即当资源请求者在请求其他的资源的同时保持对原有资源的占有。

4.循环等待，即存在一个等待队列：P1占有P2的资源，P2占有P3的资源，P3占有P1的资源，这样就形成了一个等待环路。

这四个条件同时存在就构成了死锁，要解决死锁，破坏其中任何一个条件即可，最好的手段是破坏循环等待条件，即开发人员从代码逻辑入手：

Object lock1 = new Object();Object lock2 = new Object();Thread t1 = new Thread() {@Overridepublic void run() {synchronized (lock1) {synchronized (lock2) {//...}}}};t1.start();Thread t2 = new Thread() {@Overridepublic void run() {synchronized (lock1) {synchronized (lock2) {//...}}}};t2.start();

约定好获取锁的顺序，破坏了t1等t2，t2等t1的等待环路，从而解决了死锁问题。

多线程系列到此基本就结束了，下个系列更新文件IO的相关文章。

1 线程安全的集合类

1.1 ArrayList确保线程安全

1.2 Queue确保线程安全

1.3 哈希表确保线程安全

2 死锁

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