多线程环境下ConcurrentModificationException异常及解决方案

在多线程环境下，Java的集合类如ArrayList和Vector在进行迭代操作时，如果在迭代过程中集合被修改，可能会抛出ConcurrentModificationException异常。这一问题源于集合迭代器在设计时未考虑并发修改的可能性，导致在某些并发场景下出现意外行为。以下将详细分析这一问题，并探讨解决方案。

问题再现

测试代码

public class Test3 {    public static void main(String[] args) {        final ArrayList
   
     arrayList = new ArrayList<>();        for (int i = 0; i < 20; i++) {            arrayList.add(Integer.valueOf(i));        }        Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {            public void run() {                Iterator
    
      iterator = arrayList.iterator();                while (iterator.hasNext()) {                    System.out.println("Thread1 " + iterator.next().intValue());                }                try {                    Thread.sleep(2000);                } catch (InterruptedException e) {                    e.printStackTrace();                }            }        });        Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {            public void run() {                Iterator
     
       iterator = arrayList.iterator();                while (iterator.hasNext()) {                    System.out.println("thread2 " + iterator.next().intValue());                    iterator.remove();                }            }        });        thread1.start();        thread2.start();    }}

输出结果

Thread1 0thread2 1thread2 2thread2 3thread2 4thread2 5thread2 6thread2 7thread2 8thread2 9thread2 10thread2 11thread2 12thread2 13thread2 14thread2 15thread2 16thread2 17thread2 18thread2 19java.util.ConcurrentModificationException    at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:901)    at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:851)    at com.bruceliu.demo17.Test3$1.run(Test3.java:26)    at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

问题分析

在上述测试代码中，两个线程同时操作同一个ArrayList：

Thread1负责读取并输出集合中的元素。

Thread2负责读取并修改集合中的元素。

由于ArrayList的迭代器在遍历时会维护一个expectedModCount字段，用于检测集合是否被修改。在本例中：

Thread2修改了集合，导致modCount从20增加到21。

Thread1的迭代器的expectedModCount仍为20，未感知到集合的修改。

当Thread1试图访问集合时，发现modCount与迭代器的expectedModCount不符，从而抛出ConcurrentModificationException异常。

解决方案

为了解决ConcurrentModificationException问题，可以采取以下两种方案：

方案一：使用同步锁

在多线程环境下，对集合进行加锁操作，可以确保在同一时间内只有一个线程对集合进行操作。具体实现如下：

public class Test3 {    public static void main(String[] args) {        final ArrayList
   
     arrayList = new ArrayList<>();        for (int i = 0; i < 20; i++) {            arrayList.add(Integer.valueOf(i));        }        Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {            public void run() {                synchronized (arrayList) {                    Iterator
    
      iterator = arrayList.iterator();                    while (iterator.hasNext()) {                        System.out.println("Thread1 " + iterator.next().intValue());                    }                    try {                        Thread.sleep(2000);                    } catch (InterruptedException e) {                        e.printStackTrace();                    }                }            }        });        Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {            public void run() {                synchronized (arrayList) {                    Iterator
     
       iterator = arrayList.iterator();                    while (iterator.hasNext()) {                        System.out.println("thread2 " + iterator.next().intValue());                        iterator.remove();                    }                }            }        });        thread1.start();        thread2.start();    }}

优点：

通过加锁确保线程安全，避免了ConcurrentModificationException问题。

适用于所有需要多线程操作集合的场景。缺点：

同时锁定整个集合，可能导致并发性能下降。

方案二：使用CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList是一种线程安全的集合类，它通过在每次修改时创建新的数组副本来避免并发修改问题。具体实现如下：

public class Test3 {    public static void main(String[] args) {        final CopyOnWriteArrayList
   
     list = new CopyOnWriteArrayList<>();        for (int i = 0; i < 20; i++) {            list.add(Integer.valueOf(i));        }        Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {            public void run() {                for (Integer integer : list) {                    System.out.println("thread1 " + integer.intValue());                    try {                        Thread.sleep(1000);                    } catch (InterruptedException e) {                        e.printStackTrace();                    }                }            }        });        Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {            public void run() {                for (Integer integer : list) {                    System.out.println("thread2 " + integer.intValue());                    if (integer.intValue() == 5) {                        list.remove(integer);                    }                }                for (Integer integer : list) {                    System.out.println("thread2 again " + integer.intValue());                }            }        });        thread1.start();        thread2.start();    }}

优点：

支持在多线程环境下安全地进行集合操作。

避免了ConcurrentModificationException问题。缺点：

每次修改都需要创建新的数组副本，可能影响性能。

CopyOnWriteArrayList的迭代器不支持remove()操作，需手动实现。

实现细节分析

CopyOnWriteArrayList的工作原理

CopyOnWriteArrayList通过维护一个Object[] array数组，所有修改操作都基于这个数组的副本。具体实现如下：

getArray()方法返回当前数组的副本。

修改操作（如add、remove、clear）会创建新的数组副本，并对新数组进行操作。

遍历操作（如forEach、iterator())基于当前数组的副本完成，确保遍历过程中不受修改影响。

CopyOnWriteArrayList的优缺点

优点：

线程安全，避免ConcurrentModificationException。

支持一边遍历一边修改。

缺点：

修改操作需要创建新的数组，可能影响性能。

迭代器不支持remove()操作，需要手动实现。

测试结果分析

在测试代码中，thread2对集合进行了多次修改，但thread1未感知到这些修改。通过使用CopyOnWriteArrayList，thread1和thread2能够安全地进行并发操作，而不会抛出ConcurrentModificationException。

总结

在多线程环境下，ConcurrentModificationException问题的主要原因是集合迭代器未能检测到集合的修改操作。通过使用同步锁或CopyOnWriteArrayList，可以有效避免这一问题。选择哪种方案取决于具体的性能需求和场景限制。

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