【JUC】集合线程安全

Java 中的集合框架大部分默认实现（如 ArrayList、HashMap、HashSet）都不是线程安全的 。在多线程环境下并发修改这些集合，可能导致数据不一致、ConcurrentModificationException，甚至死循环（如 JDK 7 的 HashMap 扩容问题）。

下面从「为什么不安全」「如何变成安全」「有哪些原生安全集合」几个层面来讲。

一、为什么普通集合不安全

以 ArrayList 为例，add 方法核心是：

java 复制代码

elementData[size++] = e;

这行不是原子操作，分三步：读取 size、写入元素、size 加一。多线程同时执行会丢失更新。

HashMap 更严重，并发 put 可能触发扩容时链表成环，导致 get 时 CPU 100%（JDK 8 已改进，但仍不安全）。

另外，迭代器是 fail-fast 的 ：遍历过程中如果集合被其他线程修改，会抛 ConcurrentModificationException。注意它只是「尽力检测」，不保证一定发现。

二、把普通集合包装成线程安全

Collections 工具类提供了一批静态方法：

java 复制代码

List<String> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
Map<String, String> map = Collections.synchronizedMap(new HashMap<>());
Set<String> set = Collections.synchronizedSet(new HashSet<>());

原理：给每个方法加 synchronized，用同一个 mutex 锁住。

关键坑：复合操作仍需自己加锁。 比如：

java 复制代码

// 错误：check-then-act 不是原子的
if (!list.contains(x)) {
    list.add(x);
}

必须手动同步：

java 复制代码

synchronized (list) {
    if (!list.contains(x)) list.add(x);
}

遍历也必须手动加锁，因为迭代器本身没锁：

java 复制代码

synchronized (list) {
    for (String s : list) { ... }
}

这类包装集合性能一般（全表一把锁），适合低并发场景。

三、java.util.concurrent 下的并发集合

这是高并发场景的推荐选择，按数据结构分类：

1. List / Set

类	特点
`CopyOnWriteArrayList`	写时复制，读无锁、写加锁并复制整个数组
`CopyOnWriteArraySet`	基于前者实现，去重

CopyOnWriteArrayList 适合读多写极少 的场景（如监听器列表）。写操作代价高（复制全数组），且迭代器是快照，遍历时看不到最新修改，也不会抛 ConcurrentModificationException。

2. Map

类	特点
`ConcurrentHashMap`	分段/桶级锁 + CAS，高并发首选
`ConcurrentSkipListMap`	跳表实现，有序，支持范围查询

ConcurrentHashMap 是重点：

JDK 7：Segment 分段锁，默认 16 段。
JDK 8+：取消 Segment，改为 CAS + synchronized 锁单个桶，并发度更高。
读操作基本无锁（volatile 保证可见性）。
不允许 null 键和 null 值（因为无法区分「不存在」和「值为 null」）。
复合操作提供了原子方法：putIfAbsent、computeIfAbsent、merge、replace 等，比手动加锁优雅。

java 复制代码

map.computeIfAbsent(key, k -> new ArrayList<>()).add(value);

注意：ConcurrentHashMap 的 size() 返回的是估算值，不保证精确。

3. Queue

类	特点
`ConcurrentLinkedQueue`	无锁 CAS，高性能无界队列
`ArrayBlockingQueue`	数组有界，一把锁 + 两个条件
`LinkedBlockingQueue`	链表，可选有界，读写分离两把锁
`PriorityBlockingQueue`	带优先级的无界阻塞队列
`SynchronousQueue`	不存储元素，直接传递
`DelayQueue`	延迟取元素

BlockingQueue 是生产者-消费者模型的核心，提供 put/take（阻塞）和 offer/poll（带超时）等方法。

4. Deque

ConcurrentLinkedDeque、LinkedBlockingDeque，支持双端操作。

四、怎么选

单线程或方法内局部使用：普通 ArrayList/HashMap 即可，别过度设计。
低并发、要包装已有集合：Collections.synchronizedXxx，但记得复合操作和遍历手动加锁。
高并发读多写少：CopyOnWriteArrayList。
高并发键值存储：ConcurrentHashMap。
生产者-消费者：BlockingQueue 家族。
需要有序并发 Map：ConcurrentSkipListMap。

五、几个常见误区

ConcurrentHashMap 不是所有操作都原子 。get 后再 put 这种复合逻辑仍要用 computeIfAbsent 等原子方法。
synchronizedList 遍历要加锁，很多人漏掉这点。
CopyOnWriteArrayList 不适合写多，每次写都复制数组，内存和性能开销大。
ConcurrentHashMap 不允许 null，迁移代码时要注意。
线程安全 ≠ 复合操作安全，这是最容易踩的坑。