Java集合疑问：未添加null值却出现NPE的原因探究

问题描述 #

我最近在一个原本认为不可能出现NPE的场景中遇到了该异常。这个类运行在高并发多线程程序中，我知道多线程环境下什么都可能发生，但仍对此感到困惑。

该类定义了如下字段：

private final Set<TcpIpConnection> _connections = new LinkedHashSet<>();

在整个类中，这个集合仅在两处被操作：

// 某个方法
TcpIpConnection tcpipConnection = new ServerConnection(clientSocket, _channels, MyClass.this);
_connections.add(tcpipConnection);
// 另一个方法
_connections.remove(connection);

显然，这里没有任何可能向集合中添加null值，且该集合始终在类内部使用，从未对外暴露。

但现在我的测试用例有时会在以下语句中抛出NPE，这是类中唯一使用_connections的其他语句：

new ArrayList<>(_connections).stream().forEach(c -> c.close("Server down"));

如你所见，我已经通过先将集合复制为ArrayList来避免ConcurrentModificationException。

现在NPE出现在变量c上，而c应该是之前添加到_connections中的值——但它怎么会变成null呢？

需要说明的是，我并非寻求解决方案——我已经在流中添加了filter(Objects::nonNull)（或者也可以在初始化时使用Collections.synchronizedSet()），现在问题已得到解决。

这种情况究竟是如何发生的？没错，多线程访问几乎会搞砸一切，但怎么会在原本没有null的集合中出现null呢？

原因分析 #

核心问题在于**LinkedHashSet本身不是线程安全的集合**，即使没有主动添加null值，并发的读（迭代复制）和写（add/remove）操作也会破坏其内部的数据结构，导致迭代器返回null。

具体来说：

• LinkedHashSet基于双向链表实现，迭代器遍历完全依赖链表节点的引用关系。
• 当一个线程执行new ArrayList<>(_connections)时，会启动集合的迭代器遍历所有元素；与此同时，另一个线程执行remove操作，会修改链表中对应节点的前后引用。
• 这种并发修改会导致迭代器的遍历逻辑出现异常：比如迭代器刚拿到某个节点的引用，该节点就被移除，链表的引用链被打断，迭代器后续遍历可能拿到已经被清理的节点引用（表现为null）；或者因为节点的next/prev被篡改，遍历到不存在的位置返回null。

虽然LinkedHashSet的迭代器是fail-fast设计，但fail-fast的触发条件是检测到modCount和expectedModCount不一致，这并不是100%能捕获所有并发修改场景的——在某些时序下，并发修改不会触发fail-fast，而是导致迭代器返回异常值（比如null），最终引发NPE。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者slarti76