面试题：Java中Collection框架的迭代器设计在多线程环境下存在什么问题，如何解决

Question

在多线程环境下使用Collection框架中的迭代器时，会遇到一些并发问题。请分析可能出现的问题，如ConcurrentModificationException异常产生的原因。并说明针对这些问题，有哪些常见的解决方案，例如使用并发集合类或采取同步机制等，并阐述每种方案的优缺点。

Answer 1

可能出现的问题

1. ConcurrentModificationException异常：
   • 产生原因：当一个线程正在遍历集合（使用迭代器），而另一个线程对集合的结构进行了修改（如添加、删除元素）时，就会抛出该异常。在非线程安全的集合类（如ArrayList、HashMap等）中，迭代器依赖于集合的内部状态。当集合结构被修改后，迭代器所依赖的状态发生变化，而迭代器并没有感知到这种变化，从而抛出异常。例如，在一个线程中通过Iterator遍历ArrayList，另一个线程同时调用ArrayList的add方法添加元素，就可能引发此异常。

常见解决方案

1. 使用并发集合类：
   • ConcurrentHashMap：
     • 优点：它是线程安全的哈希表。允许多个线程同时读取，并且对不同的桶进行写操作时可以并发执行，具有较高的并发性能。例如，在多线程环境下进行频繁的读操作和偶尔的写操作时，性能表现优秀。
     • 缺点：相比普通的HashMap，它的实现更为复杂，占用内存可能更多。而且在迭代时，迭代器反映的是迭代器创建时集合的状态，而不是实时状态。
   • CopyOnWriteArrayList：
     • 优点：线程安全的List实现。在进行写操作（如添加、删除元素）时，会创建一个底层数组的副本进行修改，读操作则直接读取原数组，所以读操作不会被写操作阻塞，非常适合读多写少的场景，比如缓存数据的读取。
     • 缺点：写操作时由于要复制数组，开销较大，不适合频繁写操作的场景。而且迭代器反映的是创建时的状态，不能实时反映集合的变化。
2. 采取同步机制：
   • 使用Collections.synchronizedXxx方法：
     • 优点：可以将非线程安全的集合类包装成线程安全的集合类，使用简单，不需要对原有代码结构进行大的改动。例如，通过Collections.synchronizedList(new ArrayList<>())可以将ArrayList包装成线程安全的列表。
     • 缺点：这种同步方式是对整个集合进行同步，当一个线程进行读写操作时，其他线程只能等待，并发性能较低，特别是在高并发场景下可能成为性能瓶颈。
   • 手动同步：
     • 优点：可以根据实际业务需求，对集合的操作进行更细粒度的同步控制。比如只对关键的写操作进行同步，而读操作可以并发执行，提高并发性能。
     • 缺点：实现较为复杂，需要开发人员对同步机制有深入的理解，否则容易出现死锁等并发问题。同时，代码的维护成本较高，因为需要手动管理同步块。