Java/Kotlin HashMap 等集合引发 ConcurrentModificationException

在对一些非并发集合同时进行读写的时候，会抛出 ConcurrentModificationException

异常产生示例

示例一（单线程）： 遍历集合时候去修改

抛出 ConcurrentModificationException 的主要原因是当你在遍历一个集合（如 Map、List 或 Set）时，同时对该集合进行了结构性修改（例如添加或删除元素），而这些修改没有通过迭代器自身的相应方法进行。

    private static Map<String, String> map = new HashMap<>();

    static {
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            map.put(String.valueOf(i), String.valueOf(i));
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 在循环的时候删除元素
        map.forEach((key, value) -> {
            if (Integer.parseInt(key) % 2 == 0){
                map.remove(key);
                return;
            }
            System.out.println(key + value);
        });
    }

示例二（多线程）： 多线程读写

多线程读写和示例一抛出异常的原因一样

 private static Map<String, String> map = new HashMap<>();

    static {
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            map.put(String.valueOf(i), String.valueOf(i));
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 并发修改 map 让其出现并发异常
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            new Thread(new Add(map)).start();
            new Thread(new Read(map)).start();
        }
    }

    static class Add implements Runnable {
        private HashMap<String, String> map;

        public Add(HashMap<String, String> map) {
            this.map = map;
        }

        @Override
        public void run() {
            map.clear();
            for (int i = 0; i < 100000; i++) {
                map.put(String.valueOf(i), String.valueOf(i));
            }
        }
    }

    static class Read implements Runnable {
        private HashMap<String, String> map;

        public Read(HashMap<String, String> map) {
            this.map = map;
        }

        @Override
        public void run() {
            CopyOnWriteArraySet<Map.Entry<String,String>> copyOnWriteArraySet = new CopyOnWriteArraySet<>(map.entrySet());
            for (int i = 0; i < 100000; i++) {
                copyOnWriteArraySet.forEach((entry) -> {
                    String a = entry.getKey() + entry.getValue();
                });
            }
        }
    }

解决问题

解决示例一

1. CopyOnWriteArraySet

CopyOnWriteArraySet 是 Java 并发集合包中的一种线程安全的集合。它的关键特性在于"写时复制"（copy-on-write），这意味着在对集合进行修改操作（如添加或删除元素）时，其实现机制是创建底层数组的一个新副本，而不是直接在原数组上进行修改。这种机制使得在遍历 CopyOnWriteArraySet 时不会抛出 ConcurrentModificationException，因为迭代器是在数组的一个快照上工作的，它不受后续对集合进行的修改的影响。

CopyOnWriteArraySet<Map.Entry<String,String>> copyOnWriteArraySet = new CopyOnWriteArraySet<>(map.entrySet());
copyOnWriteArraySet.forEach((entry) -> {
    String key = entry.getKey();
    String value = entry.getValue();
    if (Integer.parseInt(key) % 2 == 0){
        map.remove(key);
        return;
    }
    System.out.println(key + value);
});

2. 迭代器

当使用迭代器遍历集合时，直接调用集合的 remove 方法（如 map.remove(key)）会导致 ConcurrentModificationException，因为这破坏了迭代器预期的遍历顺序。而迭代器自身提供的 remove 方法是唯一一种可以在遍历过程中安全移除元素的方法。该方法确保了在删除元素后，迭代器能够继续正确地跟踪集合的状态，不会导致并发修改异常。

Iterator<Map.Entry<String, String>> iterator = map.entrySet().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
    Map.Entry<String, String> entry = iterator.next();
    if (Integer.parseInt(entry.getKey()) % 2 == 0) {
        iterator.remove(); // 使用迭代器的remove方法来安全地移除元素
    } else {
        System.out.println(entry.getKey() + entry.getValue());
    }
}

4. 替换原本的集合

map = map.entrySet().stream()
        .filter(entry -> Integer.parseInt(entry.getKey()) % 2 != 0)
        .collect(Collectors.toMap(Map.Entry::getKey, Map.Entry::getValue, (v1, v2) -> v1, HashMap::new));

5. 包装map

ConcurrentHashMap<String, String> concurrentHashMap = new ConcurrentHashMap<>(map);
concurrentHashMap.forEach((key, value) -> {
    if (Integer.parseInt(key) % 2 == 0){
        map.remove(key);
        return;
    }
    System.out.println(key + value);
});

方式二，也是替换 Map

ConcurrentHashMap<String, String> concurrentHashMap = new ConcurrentHashMap<>(map);
concurrentHashMap.forEach((key, value) -> {
    if (Integer.parseInt(key) % 2 == 0){
        concurrentHashMap .remove(key);
        return;
    }
    System.out.println(key + value);
});
map = concurrentHashMap 

6. 使用 removeIf

 map.entrySet().removeIf(f-> Integer.parseInt(f.getKey()) % 2 == 0);

解决示例二

HashMap 本身并不是线程安全的，最直接有效的方法是直接还一个线程安全的集合

Java 提供了多种线程安全的集合，它们主要通过不同的方式来支持并发操作。以下是一些常见的线程安全集合：

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1. 基于 java.util.concurrent 包的线程安全集合

这些集合在高并发场景下性能较好，适用于大多数现代应用。

1.1 ConcurrentHashMap

• 特性：线程安全的哈希表，支持高效的并发读写。

• 优势：读操作无锁，写操作基于分段锁（Java 8 后使用 CAS）。

• 用法：

  ConcurrentHashMap<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();

1.2 CopyOnWriteArrayList

• 特性：在写操作时复制整个底层数组，因此适合读多写少的场景。

• 优势：读操作无锁，写操作创建新数组，避免并发问题。

• 用法：

  CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();

1.3 CopyOnWriteArraySet

• 特性：基于 CopyOnWriteArrayList 实现，适合高频读取、低频修改的场景。

• 用法：

  CopyOnWriteArraySet<String> set = new CopyOnWriteArraySet<>();

1.4 ConcurrentLinkedQueue

• 特性：基于链表的无界非阻塞线程安全队列。

• 优势：采用 CAS 操作，适合高并发环境下的队列操作。

• 用法：

  ConcurrentLinkedQueue<String> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();

1.5 ConcurrentLinkedDeque

• 特性：双端队列版本的 ConcurrentLinkedQueue，支持高效的双向操作。

• 用法：

  ConcurrentLinkedDeque<String> deque = new ConcurrentLinkedDeque<>();

1.6 LinkedBlockingQueue

• 特性：基于链表的阻塞队列，支持可选的容量限制。

• 优势：适合生产者-消费者模型。

• 用法：

  LinkedBlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<>(100);

1.7 LinkedBlockingDeque

• 特性：双端队列版本的 LinkedBlockingQueue，支持从两端进行操作。

• 用法：

  LinkedBlockingDeque<String> deque = new LinkedBlockingDeque<>(100);

1.8 ConcurrentSkipListMap

• 特性：基于跳表的线程安全 SortedMap 实现，支持按键排序。

• 用法：

  ConcurrentSkipListMap<String, String> map = new ConcurrentSkipListMap<>();

1.9 ConcurrentSkipListSet

• 特性：基于 ConcurrentSkipListMap 实现的线程安全有序集合。

• 用法：

  ConcurrentSkipListSet<String> set = new ConcurrentSkipListSet<>();

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2. 基于 Collections 工具类的同步集合

Collections.synchronizedXXX 方法可以将非线程安全的集合包装成线程安全集合，但性能不如 java.util.concurrent 包。

2.1 SynchronizedList

• 特性：将普通 List 包装成线程安全集合。

• 用法：

  List<String> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());

2.2 SynchronizedSet

• 特性：将普通 Set 包装成线程安全集合。

• 用法：

  Set<String> set = Collections.synchronizedSet(new HashSet<>());

2.3 SynchronizedMap

• 特性：将普通 Map 包装成线程安全集合。

• 用法：

  Map<String, String> map = Collections.synchronizedMap(new HashMap<>());

注意 ：使用 Collections.synchronizedXXX 包装的集合在迭代时需要显式加锁：

synchronized (list) {
    for (String s : list) {
        // 操作
    }
}

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3. Immutable Collections（不可变集合）

Java 9 引入了不可变集合，通过 List.of()、Set.of() 和 Map.of() 创建：

• 特性：线程安全，不可修改，适合配置类或常量类数据。

• 用法：

  List<String> list = List.of("a", "b", "c");
  Set<String> set = Set.of("a", "b", "c");
  Map<String, String> map = Map.of("key1", "value1", "key2", "value2");

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4. Vector 和 Stack

这些是早期的线程安全集合：

• Vector ：线程安全的 List 实现。

  Vector<String> vector = new Vector<>();

• Stack ：线程安全的栈（继承自 Vector）。

  Stack<String> stack = new Stack<>();

但它们性能较低，通常不推荐使用。

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推荐选择

1. 高并发场景 ：优先使用 java.util.concurrent 包下的集合，例如 ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList 、CopyOnWriteArraySet等。
2. 读多写少 ：使用 CopyOnWriteArrayList 或 CopyOnWriteArraySet。
3. 简易同步 ：使用 Collections.synchronizedXXX 包装集合。
4. 不可修改数据 ：使用不可变集合（List.of 等）。

如果你有特定的应用场景，可以详细讨论选择最优集合！