如何在多线程代码中避免ConcurrentModificationException异常

Question

每当我们使用java.util集合类时，如果一个线程在另一个线程正在使用迭代器遍历它时更改了集合，则对iterator.hasNext()或iterator.next()的任何调用都会抛出ConcurrentModificationException异常。即使是同步的集合包装类SynchronizedMap和SynchronizedList也只是有条件的线程安全，这意味着所有单个操作都是线程安全的，但是复合操作（其中控制流取决于先前操作的结果）可能会受到线程问题的影响。问题是：如何在不影响性能的情况下避免此问题。注意：我知道CopyOnWriteArrayList。

- Bruno Simões

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那么你已经知道了解决方案。你不能两全其美：并发访问需要一个并发结构。 - Marko Topolnik

这非常具体于情况，并且取决于您的使用方式。此外，需要考虑为什么不能使集合访问和修改同步。 - Amit Deshpande

你的具体问题是什么？你所谈论的是一些通用性的问题。 - Adam Arold

我会返回一个集合的副本，以便于“迭代”，就像“CopyOnWriteArrayList”所做的那样。 - Amit Deshpande

我经常（但不总是）使用CopyOnWriteArrayList来解决这些类型的问题。然而，有时它可能非常昂贵。对于这个问题，我只想听听一些关于这个问题的意见和替代方法。我将接受我认为更好（通用）的替代方案作为答案。 - Bruno Simões

与https://dev59.com/jHI-5IYBdhLWcg3w0cKG相关。 - Raedwald

Answer 1

您可以像上面提到的那样使用CopyOnWriteArrayList或ConcurrentHashMap，或者您可以使用与CAS一起工作的Atomic*类。如果您不知道Atomic*类，它们绝对值得一看！您可以查看此问题。

因此，要回答您的问题，您必须为任务选择正确的工具。由于您没有与我们分享上下文，我只能猜测。在某些情况下，CAS会表现得更好，而在其他情况下，则是并发集合。

如果有什么不清楚的地方，您可以随时查看官方Oracle Trails：Lesson: Concurrency。

- Adam Arold

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不确定ConcurrentHashMap如何帮助他，因为锁定的是映射的各个段。 - Yair Zaslavsky

他提到的synchronized装饰器类会锁定整个Map。而另一方面，ConcurrentHashMap只会在你修改/删除时锁定一个桶。 - Adam Arold

@Adam Arold - 我明白，但我认为这可能太冒险了。如果我没记错的话，同步装饰器并没有使用 RW-Lock，而是使用“synchronized”，这就是为什么我建议在我的评论中使用 RWLock 进行锁定。 - Yair Zaslavsky

我明白了。嗯，很难想出一个单一的情况，这些装饰器是好的。 - Adam Arold

Answer 2

这是因为“标准”Java集合不是线程安全的，因为它们没有同步。当使用多个线程访问您的集合时，您应该查看java.util.concurrent包。

在Java 5之前没有这个包，人们必须执行手动同步：

synchronized(list) {
   Iterator i = list.iterator(); // Must be in synchronized block
   while (i.hasNext())
       foo(i.next());
}

或者使用

Collections.synchronizedList(arrayList);

但是两者都无法提供完整的线程安全功能。

通过使用这个包，对集合的所有访问都是原子性的，并且一些类提供了在构造迭代器时列表状态的快照（参见CopyOnWriteArrayList）。CopyOnWriteArrayList 在读取时很快，但如果您执行多次写入，则可能会影响性能。

因此，如果不需要 CopyOnWriteArrayList，可以看看 ConcurrentLinkedQueue，它提供了一个“弱一致性”迭代器，永远不会抛出 ConcurrentModificationException，并保证遍历元素时按照迭代器构造时的顺序进行。除非您需要更频繁地访问特定索引处的元素而不是遍历整个集合，否则这个方法在所有方面都很高效。

另一个选项是使用ConcurrentSkipListSet，它提供了期望的平均log(n)时间成本，用于包含、添加和删除操作及其变体。插入、删除和访问操作可以安全地由多个线程并发执行，而且迭代器是弱一致性的。

哪些并发（线程安全）集合取决于您最常执行的操作类型。由于它们都是Java Collection框架的一部分，因此您可以根据需要随时进行交换。

- Yanick Rochon

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评论太笼统了。你应该指明哪些类可以帮助他。如果你不知道如何使用它，java.util.concurrent对并发性并不是一个神奇的解决方案。 - Yair Zaslavsky

OP已经知道不仅是包，而且还有解决他问题的特定类。@AmitD即使作为评论也不会很好 :) 为了记录，Yanick，我不是你的downvoters之一。 - Marko Topolnik

抱歉，我没有注意到CopyOnWriteArrayList的提示。答案已经修正。 - Yanick Rochon

Answer 3

我认为你提出了一个有趣的问题。
我尝试思考一下，例如像其他人建议的ConcurrentHashMap是否可以帮助解决问题，但我不确定因为锁是基于段的。
在这种情况下，我会锁定对您的集合的访问，使用ReaderWriterLock。
我选择这个锁的原因是因为我觉得这需要锁定（就像你所解释的——迭代由多个操作组成），
而且因为在读取线程的情况下，如果没有写入线程在处理集合，则不希望它们等待锁定。
感谢@Adam Arold，我注意到你建议的“同步装饰器”——但是我觉得这个装饰器对你的需求来说“太强大”了，因为它使用了同步，并且不会区分N个读者和M个写作者的情况。

- Yair Zaslavsky

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请阅读我有关 ConcurrentHashMap 的问题：ConcurrentHashMap 内部是如何工作的？ - Adam Arold

@Adam Arold - 感谢你指出这个问题。我学到了新东西。唯一的问题（就我所看到的）是你把他限制在了 Map（或者说 ConcurrentMap）接口上。如果可能的话，我会尝试找到一个更通用的解决方案，但你在其他评论中是正确的——这确实取决于你的需求。 - Yair Zaslavsky

对于通用解决方案，您可以查看 Atomic* 类。 - Adam Arold

Answer 4

如果您有一个未封装的非线程安全类的Collection对象，那么无法防止Collection的误用，因此可能会出现ConcurrentModificationException。

其他答案建议使用线程安全的Collection类，例如由java.util.concurrent提供的类。但是，您应该考虑封装Collection对象：将对象设置为private，并且使您的类提供更高级别的抽象（例如addPerson和removePerson），代表调用者操作Collection，并且没有任何getter方法返回对Collection的引用。然后，可以相当容易地对封装数据执行不变量（例如“每个人都有一个非空名称”）进行强制执行，并使用synchronized提供线程安全性。

- Raedwald