一个异常引发的集合多线程思考

本文探讨了Java中的Hashtable与HashMap在多线程环境中的使用区别,包括线程安全性和并发异常ConcurrentModificationException。文章通过实例解释了为何在多线程场景下,即使使用线程安全的Hashtable也可能遇到问题,并介绍了ConcurrentHashMap的锁机制和迭代方式,建议在多线程中使用ConcurrentHashMap以提高并发性能。

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  对于Hashtable和HashMap,相信每个学习Java的人都不会陌生,这两个集合在用法上并没有什么不同,但在使用环境上却有很大差别:

1)区别,这两个类主要有以下几方面的不同:
      HashtableHashMap都实现了Map接口,但是Hashtable的实现是基于Dictionary抽象类
      在HashMap中,null可以作为键,这样的键只有一个;可以有一个或多个键所对应的值为null 
      当get()方法返回null值时,即可以表示 HashMap中没有该键,也可以表示该键所对应的值为null
      因此,在HashMap中不能由get()方法来判断HashMap中是否存在某个键,而应该用containsKey()方法来判断。
      而在Hashtable中,无论是key还是value都不能为null
 
 这两个类最大的不同在于:
1Hashtable是线程安全的,它的方法是同步了的,可以直接用在多线程环境中。
2)而HashMap则不是线程安全的。在多线程环境中,需要手动实现同步机制。

     上面所提的是面试官非常热衷提问的(当然有水平的公司也会问的更深,比如HashMap的实现机制),但这并非今天要说的重点。

     本人学习Java语言多年,自认对这两个类了如指掌,可是一次变成过程中所遇到的异常,让我发现自己对这两个类的理解还不够深入。

     前段时间,本人使用Java语言实现了一个时间调度算法,这个算法是本人一片论文中的,该算法涉及多线程,所以我理所应当的用到了HashTable,但在测试阶段却频繁的跳出一个异常,ConcurrentModificationException,虽然很快得到了很好的解决,但这个异常,使我对HashMap,Hashtable,ConcurrentHashMap有了一个更深层的认识。

     首先,很多人都知道,多线程情况下应该使用HashTable,或是使用CollectionsSynchronizedMap对HashMap进行同步。但看似同步的Map却仍然存在潜在的线程安全问题,可以考虑下面一种场景

如下面这段代码:
Java代码

<pre class="java" name="code"><span style="font-size:18px;">// shm是SynchronizedMap的一个实例   
    if(shm.containsKey('key')){   
        shm.remove(key);   
       }  
</span>


   这段代码用于从map中删除一个元素之前判断是否存在这个元素。这里的containsKeyreomve方法都是同步的,但是整段代码却不是。为什么?假设:线程A执行了containsKey方法返回true,准备执行remove操作;这时另一个线程B开始执行,同样执行了containsKey方法返回true,并接着执行了remove操作;然后线程A接着执行remove操作时发现此时已经没有这个元素了。这时就会抛出上面我所遇到的异常ConcurrentModificationException,要保证这段代码按我们的意愿工作,一个办法就是对这段代码进行同步控制,但是这么做付出的代价太大。

    我算法中所遇到的异常产生于迭代过程中,代码如下:

    

<span style="font-size:18px;"> Iterator keys = map.keySet().iterator();   
   while(keys.hasNext()){   
        map.get(keys.next());   
      }  
  </span>

     碰到这个异常的时候我也百思不解,明明是线程安全的怎么会产生这个异常,原来得到的keySet和迭代器都是Map中元素的一个视图,而不是副本问题也就出现在这里,当一个线程正在迭代Map中的元素时,另一个线程可能正在修改其中的元素。此时,在迭代元素时就可能会抛出 ConcurrentModificationException异常。

   意识到问题的所在,那解决起来也容易多了,最后我使用了ConcurrentHashMap做了替换。

    ConcurrentHashMap提供了和Hashtable以及SynchronizedMap中所不同的锁机制。Hashtable中采用的锁机制是一次锁住整个hash表,从而同一时刻只能由一个线程对其进行操作;ConcurrentHashMap中则是一次锁住一个桶。     

    ConcurrentHashMap默认将hash表分为16个桶,诸如get,put,remove等常用操作只锁当前需要用到的桶。这样,原来只能一个线程进入,现在却能同时有16个写线程执行,并发性能的提升是显而易见的。 
    在迭代方面,ConcurrentHashMap使用了一种不同的迭代方式。
    在这种迭代方式中,当iterator被创建后集合再发生改变就不再是抛出ConcurrentModificationException 取而代之的是  在改变时new新的数据从而不影响原有的数据 iterator完成后再将头指针替换为新的数据这样iterator线程可以使用原来老的数据。而写线程也可以并发的完成改变。

  至此,问题解决,同时,对于集合的多线程又有了一个新的了解,所以以后多线程还是用ConcurrentHashMap比较好!!!




 

<think>好的,我现在要解决用户提出的C#多线程问题:当一个线程清空数组,另一个线程在遍历时出现索引错误。我需要仔细思考如何处理这种情况。 首先,用户的问题涉及到多线程同步。当两个线程同时操作同一个数组时,如果没有适当的同步机制,就会出现竞态条件。例如,线程A可能在清空数组或调整其大小时,线程B正在遍历它,导致索引越界或元素不存在的问题。 接下来,我需要回忆C#中用于线程同步的机制。常见的包括lock语句、Mutex、Semaphore,以及更高级的结构如ReaderWriterLockSlim。考虑到数组可能被频繁读取和偶尔修改,或许ReaderWriterLockSlim更适合,因为它允许多个读取者同时访问,而写入者独占访问。 另外,用户提到的是清空数组。如果数组是固定大小的,清空可能只是将元素设为默认值,而不会改变长度。但如果是使用List<T>或动态调整大小的集合,清空可能导致内部数组被替换或大小改变,从而在遍历时引发问题。因此,用户可能实际使用的是List<T>或其他可变集合,需要明确这一点。 处理这类问题的常规方法是使用锁。在访问和修改共享资源时,通过lock确保同一时间只有一个线程操作资源。例如,在清空数组或遍历时,都使用同一个锁对象进行同步,防止同时访问。 但用户可能希望更高的效率,特别是在读多写少的情况下。这时,ReaderWriterLockSlim可以提高性能,允许多个读取线程同时进行,而写入线程独占访问。 此外,另一种方法是使用不可变集合。例如,在清空数组时,实际上创建一个新的空数组,并替换引用。而遍历时,可以获取当前的数组引用,即使之后数组被替换,遍历的仍然是旧引用。这种方法需要确保数组的替换是原子操作,并且在遍历时不会出现中间状态。对于引用类型的数组,赋值操作在C#中是原子的,因此可能可行。但需要注意内存可见性问题,可能需要使用volatile关键字或Volatile类来确保修改后的引用对其他线程立即可见。 不过,如果用户确实需要修改同一个数组实例(比如清空元素而不是替换新实例),则必须使用锁或其他同步机制。例如,在清空时,遍历操作必须等待清空完成,反之亦然。 总结可能的解决方案: 1. 使用lock语句:在访问和修改数组时加锁,确保线程安全。 2. 使用ReaderWriterLockSlim:适合读多写少的场景,提高并发性能。 3. 使用不可变数组:每次修改创建新实例,替换引用,利用原子操作和内存可见性保证安全。 4. 使用线程安全的集合:如ConcurrentBag,但需要确认是否有合适的集合类型支持用户的需求。 另外,需要提醒用户注意在遍历过程中,如果数组被修改,即使不报错,也可能导致遍历的数据不一致。因此,除了处理异常,还需要考虑业务逻辑是否需要这种实时同步,或者是否可以采用快照的方式遍历副本。 现在,我需要将这些思路整理成结构化的回答,分步骤说明解决方案,并给出代码示例。同时,强调同步的重要性和不同方法的适用场景。</think>在多线程环境中操作共享集合时,必须通过同步机制保证线程安全。以下是分步骤解决方案: 一、问题根本原因 当线程A执行`Array.Clear()`或`list.Clear()`时,若线程B正在通过索引遍历集合: 1. 集合结构变化导致索引越界 2. 内存可见性问题导致读取到中间状态 二、解决方案与代码示例 1️⃣ **锁同步方案(基础版)** ```csharp private readonly object _locker = new object(); private List<int> _sharedList = new List<int>(); // 线程A:清空操作 lock (_locker) { _sharedList.Clear(); } // 线程B:遍历操作 lock (_locker) { foreach (var item in _sharedList.ToArray()) // 创建副本遍历 { // 处理逻辑 } } ``` 2️⃣ **读写锁方案(高效版)** ```csharp private ReaderWriterLockSlim _rwLock = new ReaderWriterLockSlim(); private int[] _sharedArray = new int[100]; // 线程A:写入操作 _rwLock.EnterWriteLock(); try { Array.Clear(_sharedArray, 0, _sharedArray.Length); } finally { _rwLock.ExitWriteLock(); } // 线程B:读取操作 _rwLock.EnterReadLock(); try { foreach (var item in _sharedArray) { // 处理逻辑 } } finally { _rwLock.ExitReadLock(); } ``` 3️⃣ **不可变集合方案(无锁版)** ```csharp private volatile ImmutableArray<int> _immutableArray = ImmutableArray<int>.Empty; // 线程A:替换操作 var newArray = ImmutableArray<int>.Empty; _immutableArray = newArray; // 线程B:遍历操作 var localCopy = _immutableArray; foreach (var item in localCopy) { // 处理逻辑 } ``` 三、关键注意事项 1. **锁粒度控制**:保持锁的作用域最小化 2. **死锁预防**:确保加锁顺序一致性 3. **性能权衡**: - 读写锁适合读多写少(90%读操作) - 普通锁适合低竞争场景 - 不可变集合适合高频读取场景 四、扩展建议 1. 使用线程安全集合: ```csharp var concurrentBag = new ConcurrentBag<int>(); ``` 2. 采用生产者-消费者模式: ```csharp BlockingCollection<int> buffer = new BlockingCollection<int>(); ``` 五、错误示例警示 ```csharp // 危险代码!缺乏同步 void ThreadA() { _sharedList.Clear(); } void ThreadB() { foreach (var item in _sharedList) { // 可能抛出InvalidOperationException // ... } } ``` 通过选择合适的同步策略,既可以保证线程安全,又能最大限度提升性能。建议根据实际业务场景的压力测试结果选择最佳方案。
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