使用 Koltin 集合时容易产生的 bug 注意事项

来看下面代码：

class ChatManager {private val messages = mutableListOf<Message>()/*** 当收到消息时回调*/fun onMessageReceived(message: Message) {messages.add(message)}/*** 当删除消息时回调*/fun onMessageDeleted(message: Message) {messages.remove(message)}/*** 当消息成功发送到服务器时回调*/fun onMessageDeliveryStateChanged(messageId: String, state: DeliveryState) {val messageIndex = messages.indexOfFirst { it.id == messageId }if (messageIndex >= 0) {val message = messages[messageIndex]messages[messageIndex] = message.copy(deliveryState = state)}}
}data class Message(val id: String,val content: String,val senderId: String,val receiverId: String,val deliveryState: DeliveryState
)
enum class DeliveryState { UNDELIVERED, SENT, DELIVERED }

上面代码中 ChatManager 持有一个 mutableListOf 类型的属性成员 messages ，ChatManager 主要负责在接收消息、删除消息、发送消息时对消息状态进行管理。

我们思考一下，这个代码有什么问题呢?

如果你只是在单线程/主线程中调用这个ChatManager 类的相关方法，那么不会有任何问题，但是假如你在多个线程中调用这个类，比如在线程池中跑，那就不一定了。

想必你大概已经猜到了，出现问题的原因就是多个线程的情况下，不同的线程调用不同的方法对 messages 进行操作可能导致资源竞争，因此这里有潜在的并发安全问题。

举个例子，假如在多线程环境下我们有以下代码：

val chatManager = ChatManager()
...
chatManager.onMessageDeleted(message) // Thread1 正在访问这一行
...
// 同时，Thread2 正在访问这一行
chatManager.onMessageDeliveryStateChanged("abc", DeliveryState.DELIVERED) 

这时会有什么问题呢？

假设程序按照上图标注的顺序执行， messages 集合列表中此时共有 [A, B, C, D, E] 5个消息对象，那么线程 2 首先查询到 index = 3 的消息（也就是D），此时线程 1 同时在执行 onMessageDeleted 方法，删除了消息 D ，这之后，线程 2 开始进入 if 代码块执行，此时线程 2 并不知道有其他人修改了 messages 集合，那么它会按照 index = 3 来取出消息并修改它的状态，但是由于消息列表中的 D 被线程 1 删除了，列表变成 [A, B, C, E] ，因此这时线程 2 取到的index = 3的消息会是 E，那么结果就是本应该修改 D 的状态却阴差阳错地修改了 E 的状态！这就很要命了！

还没有完，假如 messages 集合列表只有 [A, B, C, D] 4个消息，同样按照上面的逻辑分析你会发现线程 2 这时取不到 index = 3 的消息了，因为被线程 1 删除了一个，消息列表不够 4 个了，这种情况下，你的应用可能会得到某种类似于 IndexOutOfBoundsException 的异常信息，如果你没有捕获处理异常，那么恭喜你，你的应用此时崩溃了！

所以，如果你没有意识到集合类可能在多线程下导致的并发安全问题，一旦产生这样的bug或异常，就会很棘手，很难发现问题的原因。

有人可能会想到，既然 MutableList 有问题，那么我用不可变的 List 不就可以了（严格说是只读的），于是代码可能会修改成下面这样：

class ChatManagerFixed {private var messages = listOf<Message>()/*** 当收到消息时回调*/fun onMessageReceived(message: Message) {messages += message}/*** 当删除消息时回调*/fun onMessageDeleted(message: Message) {messages -= message}/*** 当消息成功发送到服务器时回调*/fun onMessageDeliveryStateChanged(messageId: String, state: DeliveryState) {messages = messages.map { message ->if (message.id == messageId) {message.copy(deliveryState = state)} else message}}
}

注意，messages += message、messages -= message 这样的操作每次都会产生一个新的 List 对象，就像 Java 的 String 类那样，每次操作都会产生一个新的不可变String 对象，这样应该没有问题了吧？

但实际上这个代码仍然存在并发安全隐患，问题就在于 messages += message，它其实等价于下面代码：

messages = messages + message

很明显，这不是一个原子操作，涉及到 messages 变量的一次读操作和 messages 变量的一次写操作。假设有多个线程同时执行这段代码，依然会存在同步问题：

fun onMessageReceived(message: Message) {// List is initially []// Thread 1 adds "Message 1"// Thread 2 adds "Message 2"// Expected: ["Message 1", "Message 2"]// If thread 1 finishes first, the list will be ["Message 1"]// If thread 2 finishes first, the list will be ["Message 2"]messages = messages + message
}

如上面代码注释所示，如果 List 初始为空，有 2 个线程同时往里面添加消息，那么可能结果不会按照我们的预期那样。

一旦理解了问题所在，解决办法就很简单了，从 Java 过来的我们肯定有着解决并发问题的丰富经验，比如最简单的就是使用 Kotlin 提供的同步工具 synchronized 函数：

class ChatManagerFixed {private val lock = Any()private var messages = listOf<Message>()/*** 当收到消息时回调*/fun onMessageReceived(message: Message) {synchronized(lock) {messages += message}}/*** 当删除消息时回调*/fun onMessageDeleted(message: Message) {synchronized(lock) {messages -= message}}/*** 当消息成功发送到服务器时回调*/fun onMessageDeliveryStateChanged(messageId: String, state: DeliveryState) {synchronized(lock) {messages = messages.map { message ->if (message.id == messageId) {message.copy(deliveryState = state)} else message}}}
}

当然，如果你喜欢用 MutableList ，也是一样的解决方式：

class ChatManagerFixed {private val lock = Any()private val messages = mutableListOf<Message>()/*** 当收到消息时回调*/fun onMessageReceived(message: Message) {synchronized(lock) {messages.add(message)}}/*** 当删除消息时回调*/fun onMessageDeleted(message: Message) {synchronized(lock) {messages.remove(message)}}/*** 当消息成功发送到服务器时回调*/fun onMessageDeliveryStateChanged(messageId: String, state: DeliveryState) {synchronized(lock) {val messageIndex = messages.indexOfFirst { it.id == messageId }if (messageIndex >= 0) {val message = messages[messageIndex]messages[messageIndex] = message.copy(deliveryState = state)}}}
}

可以看到这个问题的解决并非难事，非常简单，困难的是如何发现这种问题，如果没有并发安全的意识，可能只能对着应用抛出的异常日志发呆而无从下手。

如果你使用 Kotlin 协程，在 Kotlin 协程中也提供了一些相应的并发工具，如 Mutex、Semaphore等，感兴趣的可以参考我的另一篇文章：【深入理解Kotlin协程】协程中的Channel和Flow & 协程中的线程安全问题